電機(jī)無速度傳感器控制技術(shù)在包裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

何瑞

電機(jī)無速度傳感器控制技術(shù)在包裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

何瑞

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003）

為提高自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的產(chǎn)品效率和質(zhì)量，簡化傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)性能。提出一種基于滑模觀測(cè)器的無速度傳感器控制技術(shù)，建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種滑模自適應(yīng)觀測(cè)器，可用于觀測(cè)定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈，同時(shí)給出一種I/F啟動(dòng)策略。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所述控制方法不僅可以解決電機(jī)啟動(dòng)問題，而且采用滑模觀測(cè)器能夠較好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤，進(jìn)而確保轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，可將橫封橫切機(jī)構(gòu)的切點(diǎn)偏差控制在0.4 mm以內(nèi)，平均偏差只有0.2 mm。無速度傳感器控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、調(diào)速性能好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以確保電機(jī)速度、位置控制精度，進(jìn)而降低整個(gè)控制系統(tǒng)的冗余性、不穩(wěn)定性，適合包裝、仿真、印刷等場(chǎng)合使用。

永磁同步電機(jī)；無速度傳感器控制；滑模觀測(cè)器；包裝；生產(chǎn)線

隨著“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”不斷布局推廣，中國制造業(yè)日趨智能化、信息化、綠色化，這就要求印刷、紡織、包裝、現(xiàn)代物流等領(lǐng)域所用設(shè)備盡快過渡到自動(dòng)化、電子化。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，各類電機(jī)的使用、普及不可避免。以包裝機(jī)械為例，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已由復(fù)雜齒輪、鏈條傳動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)直接驅(qū)動(dòng)各軸、各軸之間同步運(yùn)動(dòng)。永磁同步電機(jī)具有可靠性高、體積小、轉(zhuǎn)矩大等諸多優(yōu)點(diǎn)，故其在包裝生產(chǎn)線、包裝機(jī)械中的應(yīng)用十分廣泛。永磁同步電機(jī)性能的穩(wěn)定性將直接決定產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)效率，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一些速度控制、位置控制所需傳感器存在精度低、易損壞等問題，一旦出現(xiàn)問題就會(huì)降低生產(chǎn)線效率甚至導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)[1-4]。綜上所述，永磁同步電機(jī)的無速度傳感器控制策略研究具有一定價(jià)值和意義。目前，智能控制理論在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，例如滑模控制。與常規(guī)控制方法不同，滑模控制可隨時(shí)間不斷變化，可使系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)量按照設(shè)定軌跡運(yùn)行到期望位置，此時(shí)外部干擾就不會(huì)再起作用。總體來說，滑模控制具有魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[5-7]。滑模觀測(cè)器根據(jù)電機(jī)電流建立觀測(cè)器狀態(tài)方程，以電流觀測(cè)誤差作為滑模面，通過觀測(cè)反電動(dòng)勢(shì)獲取轉(zhuǎn)子位置和速度，但是滑模觀測(cè)器存在一個(gè)問題，即低速時(shí)，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)較小，觀測(cè)誤差較大[8-10]。

為解決此問題，文中設(shè)計(jì)一種電流閉環(huán)啟動(dòng)策略，可先將電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)拉升到一定轉(zhuǎn)速，然后利用滑模觀測(cè)器估算電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，最后切換到無速度傳感器控制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所述方法的有效性。

1 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

2 滑模自適應(yīng)觀測(cè)器

2.1 滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)

根據(jù)控制原理，滑模面可選擇：

滑模函數(shù)則可以定義為：

綜合式（1、2、3）可以計(jì)算出定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)方程，即：

根據(jù)式（1—4），狀態(tài)變量誤差方程可描述為：

為確保狀態(tài)變量可在滑模面移動(dòng)且能夠保持穩(wěn)定[14]，就必須有一個(gè)足夠大的滑模增益使式（5）滿足條件：

2.2 轉(zhuǎn)速自適應(yīng)估計(jì)

一旦誤差軌跡到達(dá)滑模面，定子電流觀測(cè)值會(huì)收斂到實(shí)際值，即存在：

此時(shí)可認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)值等于實(shí)際值，那么式（5）所示誤差方程可描述為：

根據(jù)波波夫積分不等式，可以得到不等式：

為提高轉(zhuǎn)速估計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可在其中引入比例積分環(huán)節(jié)，那么自適應(yīng)系統(tǒng)可描述為：

結(jié)合上述推導(dǎo)過程，再根據(jù)式（4）和式（11）可以得到滑模自適應(yīng)速度觀測(cè)器結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 滑模自適應(yīng)速度觀測(cè)器結(jié)構(gòu)

圖2 電機(jī)啟動(dòng)策略

3 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真研究

為驗(yàn)證所述滑模觀測(cè)器的可行性和有效性，文中在Matlab/Simulink中搭建了相關(guān)模型并進(jìn)行了仿真研究。電機(jī)參數(shù)見表1。

仿真結(jié)果見圖3和圖4，其中圖3為轉(zhuǎn)速仿真波形，圖4為估計(jì)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速之間誤差波形。可以看出：IF啟動(dòng)策略可使電機(jī)加速至20 r/min；在0.7 s左右實(shí)現(xiàn)控制策略切換。仿真過程中，在1 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r/min；在2 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為40 r/min；在3 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為50 r/min。仿真結(jié)果表明：電機(jī)在啟動(dòng)和加速階段，轉(zhuǎn)速估計(jì)偏差會(huì)稍微大一些，但仍在可接受范圍內(nèi)；當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速估計(jì)值可以很好地跟蹤轉(zhuǎn)速實(shí)際值，二者之間偏差非常小。

表1 電機(jī)參數(shù)

Tab.1 Motor parameters

圖3 轉(zhuǎn)速仿真波形

圖4 轉(zhuǎn)速誤差波形

進(jìn)一步地，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，突然添加或卸載1 N·m的負(fù)載，仿真結(jié)果見圖5—7。其中圖5為電磁轉(zhuǎn)矩波形，圖6為實(shí)際轉(zhuǎn)速和估計(jì)轉(zhuǎn)速波形。從仿真結(jié)果可以看出，突加負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速大約減小10 r/min，約耗時(shí)0.1 s就可以恢復(fù)到50 r/min；突然卸掉負(fù)載后，電機(jī)轉(zhuǎn)速大約增加10 r/min，同樣大約耗時(shí)0.1 s就可以穩(wěn)定到50 r/min。在負(fù)載變化過程中，所述滑模觀測(cè)器可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速的估計(jì)、跟蹤。

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)速和估計(jì)轉(zhuǎn)速波形

上述仿真結(jié)果表明：對(duì)于永磁同步電機(jī)，所述控制方法不僅可以解決電機(jī)啟動(dòng)問題，而且采用滑模觀測(cè)器能夠較好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤，進(jìn)而確保轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確性。整個(gè)無速度傳感器控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、調(diào)速性能好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合包裝、仿真、印刷等場(chǎng)合使用。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證滑模觀測(cè)器的有效性，將所述電機(jī)控制技術(shù)移植到包裝生產(chǎn)線常用設(shè)備——三伺服枕式包裝機(jī)并應(yīng)用到橫封橫切機(jī)構(gòu)。設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min，此時(shí)橫封橫切機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)；首先，包裝膜上標(biāo)記一系列切點(diǎn)位置；然后，在確保包裝機(jī)其他機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，測(cè)量橫封橫切機(jī)構(gòu)切點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。作為對(duì)比，在相同條件下進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)照組不采用所述電機(jī)控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：如果不采用所述電機(jī)控制技術(shù)，切點(diǎn)偏差絕對(duì)值的最大值為1.6 mm，平均值約為1.2 mm；采用文中所述電機(jī)控制技術(shù)，切點(diǎn)偏差絕對(duì)值的最大值為0.4 mm，平均值約為0.2 mm。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)無速度傳感器控制技術(shù)可以提高電機(jī)控制精度，進(jìn)而提高包裝機(jī)械橫封橫切機(jī)構(gòu)的切點(diǎn)準(zhǔn)確性，對(duì)提升包裝生產(chǎn)線自動(dòng)化水平具有一定意義。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Experimental results

4 結(jié)語

以包裝生產(chǎn)線常用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，為降低整個(gè)系統(tǒng)的冗余性、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，文中設(shè)計(jì)了一種無速度傳感器控制技術(shù)同時(shí)提出了一種I/F啟動(dòng)策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所述滑模觀測(cè)器具有較好的跟蹤性能，可以確保電機(jī)速度、位置控制精度，適用于包裝、紡織、印刷等場(chǎng)合。文中僅驗(yàn)證了所述方法的有效性，下一步可從實(shí)際應(yīng)用方面展開研究。

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Application of Motor Speed Sensorless Control Technology in Packaging Production Line

HE Rui

(Yellow River Conservancy Technical Institute, Henan Kaifeng 475003, China)

The work aims to improve the efficiency and quality of automatic packaging production line, simplify the structure of transmission system and improve the performance of permanent magnet synchronous motor control system. A sensorless control technology based on sliding mode observer was proposed. The mathematical model of permanent magnet synchronous motor was established. On this basis, a sliding mode adaptive observer was designed to measure the stator current and rotor flux. At the same time, an I/F starting strategy was presented. The performance of the system was verified by simulation and experiment. The simulation and experimental results showed that the control method cannot only solve the motor starting problem, but also realize the speed tracking through the sliding mode observer, thus ensuring the accuracy of the rotor position. In practical application, the cutting point deviation of the transversal sealing and crosscutting mechanism can be controlled within 0.4 mm, and the average deviation was 0.2 mm. Speed sensorless control system has the characteristics of fast response speed, good speed regulation performance, strong robustness, etc., which can ensure the speed of the motor, position control precision and then reduce the redundancy and instability of the whole control system. It is suitable for packaging, simulation, printing and other occasions.

permanent magnet synchronous motor; speed sensorless control; sliding mode observer; packing; production line

TB486

A

1001-3563(2022)07-0233-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.07.030

2021-06-01

河南省教育廳項(xiàng)目（2019SJGLX691）

何瑞（1969—），女，碩士，黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋