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

1、永磁直線同步電機（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM）作為直驅(qū)式傳動機構(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)響應能力等特點，廣泛應用在光刻機、高檔數(shù)控機床等高端制造裝備中。精密永磁直線同步電機控制系統(tǒng)通過調(diào)控電機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間的中樞環(huán)節(jié)，其品質(zhì)的好壞直接決定了電機控

2、制系統(tǒng)最終的技術(shù)指標。
　　由于永磁直線同步電機輸出推力包括有效的電磁推力和產(chǎn)生擾動的推力波動，因此在直線電機的高品質(zhì)電流閉環(huán)系統(tǒng)中，調(diào)控電機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)對電機輸出的電磁推力進行精確控制。與普通的旋轉(zhuǎn)電機相比，永磁直線同步電機的直驅(qū)工作模式、模型的強耦合性和參數(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結(jié)構(gòu)的特殊性，端部和齒槽效應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，補償推力波動對應的等效電流成分，抑制推力波動帶來的速度擾動?；谝陨戏治?，針對永磁直線同步電機控制系統(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)永磁直線同步電機的推力波動含高次諧波成分，在通過控制方法補償時，對控制系統(tǒng)帶寬提出了極

4、高指標需求，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，并通過建立電機數(shù)學模型和系統(tǒng)動力學模型，為后續(xù)電流控制和推力波動補償方法的研究奠定基礎。首先基于永磁體等效磁化強度法，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氣隙磁場，在此基礎上，利用麥克斯韋張量法，獲得直線電機電磁推力解析表達式，并分析直線電機產(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)坐標變換原理，建立考慮參數(shù)變化的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下電機數(shù)學模型，并結(jié)合推力波動分析結(jié)果，推導含有推力波動的直線電機系統(tǒng)動力學模型。
　　在電流控制方法中，針對預測電流控制在直線電機控制性能上的優(yōu)越性，本文對該方法進行深入研究。對于預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測電流控制方法。首先，推導離散化電機數(shù)學

6、模型，基于電壓空間矢量控制方法，分析預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，解決預測電流控制中的時延問題，并針對參考電壓限制問題和預測控制帶來的角度滯后問題，分別進行優(yōu)化設計；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)不確定問題的補償方法結(jié)合，得到基于擾動觀測器的預測電流控制方法。最后，在同時解

7、決時延和參數(shù)變化問題的方法中，通過對電機矢量進行重構(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償電流，以前饋的方式進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