精密永磁直線同步電機(jī)電流閉環(huán)控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、永磁直線同步電機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM）作為直驅(qū)式傳動機(jī)構(gòu)的核心單元，具有高推力密度、高精度、高速度和快速的動態(tài)響應(yīng)能力等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在光刻機(jī)、高檔數(shù)控機(jī)床等高端制造裝備中。精密永磁直線同步電機(jī)控制系統(tǒng)通過調(diào)控電機(jī)電流的形式獲得精確的輸出推力，因此，電流環(huán)作為位置、速度和電流三閉環(huán)控制中的最內(nèi)環(huán)，是連接控制單元與被控電機(jī)間的中樞環(huán)節(jié)，其品質(zhì)的好壞直接決定了電機(jī)控

2、制系統(tǒng)最終的技術(shù)指標(biāo)。
　　由于永磁直線同步電機(jī)輸出推力包括有效的電磁推力和產(chǎn)生擾動的推力波動，因此在直線電機(jī)的高品質(zhì)電流閉環(huán)系統(tǒng)中，調(diào)控電機(jī)電流的目的主要從兩方面來考慮。一個方面是通過高性能的電流控制策略實現(xiàn)對電機(jī)輸出的電磁推力進(jìn)行精確控制。與普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，永磁直線同步電機(jī)的直驅(qū)工作模式、模型的強(qiáng)耦合性和參數(shù)不確定性分別對其電流閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬、解耦性和魯棒性提出了極高要求，所以高性能的電流控制策略成為滿足這些要求的必要條件

3、。另一個方面是由于永磁直線同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，端部和齒槽效應(yīng)會使輸出推力中附加較大的波動成分，因此要調(diào)節(jié)實際工作電流，補(bǔ)償推力波動對應(yīng)的等效電流成分，抑制推力波動帶來的速度擾動。基于以上分析，針對永磁直線同步電機(jī)控制系統(tǒng)對高品質(zhì)電流調(diào)控技術(shù)的迫切需求，在電流閉環(huán)控制中，開展電流控制策略和推力波動補(bǔ)償方法兩方面的研究工作。
　　因為矩形永磁體結(jié)構(gòu)永磁直線同步電機(jī)的推力波動含高次諧波成分，在通過控制方法補(bǔ)償時，對控制系統(tǒng)帶寬提出了極

4、高指標(biāo)需求，所以本文利用斜極優(yōu)化方法，抑制推力波動中的高次諧波成分，并通過建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)動力學(xué)模型，為后續(xù)電流控制和推力波動補(bǔ)償方法的研究奠定基礎(chǔ)。首先基于永磁體等效磁化強(qiáng)度法，結(jié)合斜極等效分析模型和電樞開槽引起的氣隙相對磁導(dǎo)分布函數(shù)，得到考慮極間漏磁的斜極有鐵芯永磁直線同步電機(jī)氣隙磁場，在此基礎(chǔ)上，利用麥克斯韋張量法，獲得直線電機(jī)電磁推力解析表達(dá)式，并分析直線電機(jī)產(chǎn)生推力波動的原因。然后對比分析矩形和斜極永磁體結(jié)構(gòu)的永磁直線同

5、步電機(jī)推力波動諧波含量，通過選取合理的永磁體傾斜長度，抑制推力波動中高次諧波成分。最后根據(jù)坐標(biāo)變換原理，建立考慮參數(shù)變化的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合推力波動分析結(jié)果，推導(dǎo)含有推力波動的直線電機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)模型。
　　在電流控制方法中，針對預(yù)測電流控制在直線電機(jī)控制性能上的優(yōu)越性，本文對該方法進(jìn)行深入研究。對于預(yù)測電流控制中時延和參數(shù)變化問題，研究分別和同時解決這兩個問題的兩種高性能預(yù)測電流控制方法。首先，推導(dǎo)離散化電機(jī)數(shù)學(xué)

6、模型，基于電壓空間矢量控制方法，分析預(yù)測電流控制的工作原理。然后，在分別解決時延和參數(shù)變化問題的方法中，利用計算下一控制周期的電壓參考指令，解決預(yù)測電流控制中的時延問題，并針對參考電壓限制問題和預(yù)測控制帶來的角度滯后問題，分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；分析參數(shù)變化對電流跟蹤性能影響，通過建立擾動狀態(tài)觀測器，提高預(yù)測電流控制方法對參數(shù)變化的魯棒性；通過前饋形式，將時延和參數(shù)不確定問題的補(bǔ)償方法結(jié)合，得到基于擾動觀測器的預(yù)測電流控制方法。最后，在同時解

7、決時延和參數(shù)變化問題的方法中，通過對電機(jī)矢量進(jìn)行重構(gòu)，研究同時考慮時延和參數(shù)變化問題的高度集成化預(yù)測電流控制方法，提高電流控制器的適用性和簡易性。
　　在推力波動補(bǔ)償方法中，針對斜極優(yōu)化后以低次諧波為主要成分的推力波動，研究推力波動線性觀測器，將觀測出的波動值換算成等效補(bǔ)償電流，以前饋的方式進(jìn)一步抑制推力波動對系統(tǒng)的影響。首先將推力波動各諧波成分定義為狀態(tài)變量中的部分子變量，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)方程，建立觀測系統(tǒng)狀態(tài)方程。由于狀態(tài)方程具

8、有非線性，通過一階最優(yōu)線性化方法，構(gòu)建推力波動的雅可比線性觀測器。為便于數(shù)字化實現(xiàn)，利用均值化處理方法，建立雅可比線性觀測器的離散化方程。為使推力波動觀測值快速收斂于真實值，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性定理，推導(dǎo)出合理的觀測器參數(shù)。將觀測到的推力波動估算值以前饋形式注入到電流環(huán)中，抑制推力波動給系統(tǒng)帶來的擾動。
　　搭建氣浮支撐結(jié)構(gòu)的精密永磁直線同步電機(jī)系統(tǒng)實驗平臺，研究精確的推力波動測試方案；研制高性能全數(shù)字的驅(qū)動控制