精密永磁直線(xiàn)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(xiàn)同步電機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM）作為直驅(qū)式傳動(dòng)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(dòng)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(xiàn)同步電機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)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(xiàn)同步電機(jī)輸出推力包括有效的電磁推力和產(chǎn)生擾動(dòng)的推力波動(dòng)，因此在直線(xiàn)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(lái)考慮。一個(gè)方面是通過(guò)高性能的電流控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)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(duì)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(mǎn)足這些要求的必要條件

3、。另一個(gè)方面是由于永磁直線(xiàn)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，端部和齒槽效應(yīng)會(huì)使輸出推力中附加較大的波動(dòng)成分，因此要調(diào)節(jié)實(shí)際工作電流，補(bǔ)償推力波動(dòng)對(duì)應(yīng)的等效電流成分，抑制推力波動(dòng)帶來(lái)的速度擾動(dòng)?；谝陨戏治?，針對(duì)永磁直線(xiàn)同步電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)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(kāi)展電流控制策略和推力波動(dòng)補(bǔ)償方法兩方面的研究工作。
　　因?yàn)榫匦斡来朋w結(jié)構(gòu)永磁直線(xiàn)同步電機(jī)的推力波動(dòng)含高次諧波成分，在通過(guò)控制方法補(bǔ)償時(shí)，對(duì)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(dòng)中的高次諧波成分，并通過(guò)建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)電流控制和推力波動(dòng)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(kāi)槽引起的氣隙相對(duì)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(xiàn)同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上，利用麥克斯韋張量法，獲得直線(xiàn)電機(jī)電磁推力解析表達(dá)式，并分析直線(xiàn)電機(jī)產(chǎn)生推力波動(dòng)的原因。然后對(duì)比分析矩形和斜極永磁體結(jié)構(gòu)的永磁直線(xiàn)同

5、步電機(jī)推力波動(dòng)諧波含量，通過(guò)選取合理的永磁體傾斜長(zhǎng)度，抑制推力波動(dòng)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(dòng)分析結(jié)果，推導(dǎo)含有推力波動(dòng)的直線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。
　　在電流控制方法中，針對(duì)預(yù)測(cè)電流控制在直線(xiàn)電機(jī)控制性能上的優(yōu)越性，本文對(duì)該方法進(jìn)行深入研究。對(duì)于預(yù)測(cè)電流控制中時(shí)延和參數(shù)變化問(wèn)題，研究分別和同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題的兩種高性能預(yù)測(cè)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(cè)電流控制的工作原理。然后，在分別解決時(shí)延和參數(shù)變化問(wèn)題的方法中，利用計(jì)算下一控制周期的電壓參考指令，解決預(yù)測(cè)電流控制中的時(shí)延問(wèn)題，并針對(duì)參考電壓限制問(wèn)題和預(yù)測(cè)控制帶來(lái)的角度滯后問(wèn)題，分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析參數(shù)變化對(duì)電流跟蹤性能影響，通過(guò)建立擾動(dòng)狀態(tài)觀測(cè)器，提高預(yù)測(cè)電流控制方法對(duì)參數(shù)變化的魯棒性；通過(guò)前饋形式，將時(shí)延和參數(shù)不確定問(wèn)題的補(bǔ)償方法結(jié)合，得到基于擾動(dòng)觀測(cè)器的預(yù)測(cè)電流控制方法。最后，在同時(shí)解

7、決時(shí)延和參數(shù)變化問(wèn)題的方法中，通過(guò)對(duì)電機(jī)矢量進(jìn)行重構(gòu)，研究同時(shí)考慮時(shí)延和參數(shù)變化問(wèn)題的高度集成化預(yù)測(cè)電流控制方法，提高電流控制器的適用性和簡(jiǎn)易性。
　　在推力波動(dòng)補(bǔ)償方法中，針對(duì)斜極優(yōu)化后以低次諧波為主要成分的推力波動(dòng)，研究推力波動(dòng)線(xiàn)性觀測(cè)器，將觀測(cè)出的波動(dòng)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(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。首先將推力波動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程，建立觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)方程。由于狀態(tài)方程具

8、有非線(xiàn)性，通過(guò)一階最優(yōu)線(xiàn)性化方法，構(gòu)建推力波動(dòng)的雅可比線(xiàn)性觀測(cè)器。為便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，利用均值化處理方法，建立雅可比線(xiàn)性觀測(cè)器的離散化方程。為使推力波動(dòng)觀測(cè)值快速收斂于真實(shí)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(cè)器參數(shù)。將觀測(cè)到的推力波動(dòng)估算值以前饋形式注入到電流環(huán)中，抑制推力波動(dòng)給系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)。
　　搭建氣浮支撐結(jié)構(gòu)的精密永磁直線(xiàn)同步電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究精確的推力波動(dòng)測(cè)試方案；研制高性能全數(shù)字的驅(qū)動(dòng)控制