永磁直线电机滑模自抗扰控制策略研究

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随着永磁材料性能的不断发展,永磁同步直线电机(PMLSM)以其低损耗、高精度和高效率等优点被广泛应用于精密数控机床等直线进给系统。由于直驱系统中免除了传动环节,外界干扰和参数变化直接作用于电机动子,增加了系统的不确定性。因此,在不确定性扰动条件下研究快响应、高精度的控制策略十分重要。自抗扰控制(ADRC)的设计过程不依赖于被控对象的精确模型,具有强鲁棒性,在电机控制领域得到了广泛应用。但ADRC中参数众多,物理意义不明确,整定困难。针对该问题,本文提出了一种可实现参数自整定的PMLSM滑模自抗扰控制策略,将滑模算法引入ADRC控制,减少了待调参数数量,降低了参数整定的难度,提高了PMLSM系统的追踪精度、动态响应性能和抗扰动能力。论文的主要工作如下:(1)对传统ADRC控制方法进行了介绍,搭建了PMLSM的ADRC控制模型。仿真结果表明,与PI控制相比,ADRC可以有效减小超调,提高PMLSM驱动系统的鲁棒性。(2)针对传统ADRC控制方法多参数的问题,将滑模控制(SMC)与传统ADRC控制相结合,提出了一种滑模自抗扰控制(SM-ADRC)策略。滑模算法被引入到传统ADRC替代ADRC中的非线性函数,完成了扩张状态观测器(ESO)和非线性状态反馈(NLSEF)环节中误差信号的计算和处理,从而实现了ESO中状态变量的估计和NLSEF中控制律的设计。相比于传统ADRC控制器,SMADRC控制器的待调参数数量减少一半,有效降低了参数整定的难度。为验证该控制方法的有效性,本文搭建了PMLSM的SM-ADRC速度控制模型。仿真结果可以看出,与传统ADRC控制策略相比,SM-ADRC完全消除了超调,降低了稳态误差,减小了电流脉动,提高了系统的抗扰动能力和运行的稳定性。(3)为改善SM-ADRC控制的抖振现象,实现控制器参数的最优配置,本文改进了滑模趋近律,并利用模拟退火粒子群算法(SAPSO)实现了SM-ADRC控制器的参数自整定。变幂次复合趋近律(HRL)将双幂次趋近律和指数趋近律相结合,可有效提高收敛速率,削弱系统抖振;模拟退火粒子群算法(SAPSO)完成了SM-ADRC控制器参数的离线自整定,降低了滑模自抗扰算法在实际工业应用中的难度。仿真结果表明,与传统ADRC和SM-ADRC控制策略相比,该策略下的控制系统响应速度更快,稳态误差更小,且抗扰动性能更加优越。(4)为证明新型控制方法的有效性,在基于Speedgoat的半实物仿真平台中利用快速控制原型技术对该方法进行实验验证。本文分别基于传统ADRC、SMADRC和参数自整定SM-ADRC控制策略搭建了PMLSM速度控制模型,并对空载启动、速度突变和负载突变等工况下的速度和电流响应进行了对比分析。实验结果证明了本文提出的新控制策略能有效加快响应速度,减小系统的稳态误差并提高系统的鲁棒性。
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