永磁直線同步電機控制技術

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(1哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱 150010；2黑龍江農業職業技術學院，黑龍江佳木斯 154002)

永磁直線同步電機控制技術

王文斌1，王德成2

(1哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱 150010；2黑龍江農業職業技術學院，黑龍江佳木斯 154002)

永磁直線同步電機與普通的直線異步電機相比,具有效率高、輸出力矩大、體積小、易于控制等優點,極大地提高了進給系統的快速響應性和運動精度,成為新一代超精密機床中最具有代表的技術。但其結構工藝、控制方法及策略直接影響直線電機的應用與推廣。該文根據永磁直線同步電機控制特點，分析了永磁直線同步電機特點及工作原理，結合國內外基于永磁直線同步電機的相關文獻，綜述了新型永磁直線同步電機控制技術發展概況，并闡述了經典及現代的各種控制策略。

直線電機；控制策略；永磁

0 引言

直線電機是近年來發展迅速的新型電機,它是一種可以將電能直接轉換成直線運動,而不需要任何中間轉換機構的電磁傳動裝置。跟旋轉電機相對應,直線電機按機種可以分為異步(感應)直線電機、同步直線電機、直流直線電機和其他類型的直線電機(如直線步進電機、直線振蕩電機、直線超聲波電機、直線開關磁阻電機等)。永磁同步直線電機在力能指標、速度、定位精度、效率等方面比其他直線電動機有更多的優勢,所以在許多現代高精密直線驅動控制系統中,永磁同步直線電機是一種比較理想的直線伺服電機。交流伺服系統本身就是一個有較強非線性、耦合性及時變性的復雜系統,加之系統運行時還會受到不同程度的干擾,控制難度比較大。另外,直線電機中存在的“端部效應”,其氣隙也要比同等容量旋轉電機大2～3倍,功率因數和效率低,在單邊型直線電機中,更是存在單邊磁拉力,容易使軸彎曲。針對以上提出的各種問題,需要選擇有效的控制策略。

但是,直線電機伺服系統是一種具有高度快速性的動態系統,不可能在幾十毫秒的起動或制動過程以及更為短暫的動態調節過程中實現十分復雜的控制算法,所以在滿足主要控制要求的同時,滿足對各種擾動的抑制以及對指令的無延時、無超調的跟蹤,選擇一種合適的、成功的控制策略,發展高性能的直線電機伺服系統已經成為國內外眾多學者的共同目標，近些年來也獲得了不少的成果。本文根據永磁直線同步電機控制特點，分析了永磁直線同步電機技術發展概況，結合國內外的相關文獻，綜述了新型的永磁直線同步電機控制策略發展概況，介紹了每種控制策略，闡述了它們的優缺點。

2 永磁同步直線電機概況及發展現狀

直線電機的結構、驅動方式與旋轉電機有很大的相似之處，早期直線電機伺服系統控制沿用和改進了普通電機的 PID 反饋控制、解耦控制、Smith 預估計控制等傳統的控制策略。目前 PID控制策略依然是伺服系統控制技術中比較成熟和常用的控制策略，且應用比較廣泛。隨著計算機技術和數字技術的發展，原來需硬件來實現的功能現用軟件來完成，其中用到的算法稱為數字 PID 算法。數字 PID控制器在靈活性上有很大改進，可以根據具體的控制對象實時調整參數。

永磁同步直線電機的伺服系統應用 PID 控制器也能夠進行一些參數的控制，但是永磁同步直線電機一般應用在高精度、高效率、高速率的伺服系統中，在這些系統中，PID 控制策略無法滿足要求。在高精度微進給的高性能伺服系統中，需要把對象的結構和參數的變化、各種非線性因素的影響、運行環境的變化及各種外界的干擾都考慮進來，才能得到可實際應用的控制策略。因此，人們開始嘗試把現代控制策略和智能控制方法應用到永磁同步直線電機的控制中，目前應用在直線電機伺服系統中的現代控制策略有模型參考自適應控制、魯棒控制、模糊控制和神經網絡控制等。

3 控制策略在直線電機伺服系統中的應用

3.1 經典控制策略

經典控制策略中的代表非PID策略莫屬了，但是,PID控制對被控對象模型參數的變化較為敏感,魯棒性不夠滿意,此外,PID控制的整定比較費時,由于參數間的相互影響,往往難以收到最優的效果。目前,PID控制更多的是與其他控制策略相結合,形成帶有智能的新型復合控制,如將PID控制與模糊控制相結合,實現了對PID參數的自校正,使直線電機伺服系統的魯棒性得到增強,獲得較好的控制效果。

除了PID控制算法外,例如解耦控制、Smith預估器等經典控制方法,在直線電機伺服系統中也得到了較好的應用。直線電機伺服系統是一個多變量、強耦合的非線性控制系統,人們經常采用轉子磁鏈定向的矢量解耦控制方法,來消除勵磁控制回路和推力控制回路之間的耦合,使兩個控制回路可以分別獨立受控;Smith預估器與控制器并聯,可以使控制對象的時間滯后得到完全的補償,這樣在設計控制器時就不必考慮對象的時滯影響,對解決直線電機伺服系統中逆變器電力傳輸延時和速度測量滯后所造成的速度反饋滯后影響是很有效的。

3.2 模型參考自適應控制技術

模型參考自適應控制策略的主要意義是將不含待估參數的方程作為參考模型，而將含有待估參數的方程作為可調模型，兩個模型的輸出量具有相同的物理意義，利用兩個模型的輸出量的誤差構成合適的調整率來實時調整可調模型的參數，以達到控制對象的輸出跟蹤參考模型的目的。

此時實際系統與參考模型的輸出誤差將趨近于零，系統逐步穩定。已有的仿真結果表明，利用Lyapunov 理論構造的模型參考自適應系統的魯棒性很好，它比采用傳統 PID 控制策略的系統具有更好的動態性能和更強的抗干擾能力。

3.3 魯棒控制策略

魯棒控制研究始于 1976 年，是針對系統存在的不確定性，包括模型的不確定性(如參數變化和未建模動態特性等)、外界擾動的不確定性等，目的是設法保持系統的穩定魯棒性和品質魯棒性。經過 30 多年的發展，魯棒控制理論研究獲得了豐富的成果，在實踐中也得到了廣泛應用。

魯棒控制理論是一種較為成熟的控制方法。H控制實質是使系統從擾動至偏差的傳遞函數中 H的取值范圍極小或小于某一給定值，由此來設計控制器，這對抑制擾動有良好效果。1988 年 Dolye 等人證明了 H∞的設計問題可以通過代數 Riccati 方程來解決，至今為止，H設計方法依然主要應用這個解法。

3.4 模糊控制策略

模糊控制是伺服系統中應用最廣泛的一種智能控制技術，模糊控制器能夠把專家的知識轉化為控制系統的模糊集，利用一定的模糊推理規則，這些模糊集就能夠對系統的輸出進行智能調節。這種控制方法實時性好，不需要精確的數學模型而且還可以具有很高的魯棒能力。所以在伺服控制中，模糊控制得到了廣泛的研究和應用。模糊控制的基本原理是根據現有的專家知識生成專家知識庫，通過模糊推理產生控制輸出。

模糊控制器主要由四部分構成：模糊量化、模糊推理、去模糊化和模糊規則。其工作過程為：首先把速度的誤差e和誤差變化律進行模糊量化處理，然后根據模糊算法進行模糊推理(推理后的結果依然是模糊值)，最后進行去模糊化處理。盡管模糊控制提高了系統的智能性，但它本身固有一些缺點，如建模困難、缺少積分項、應用時需更多與其他控制策略組合等。

3.5 神經網絡控制策略

神經網絡從結構上模擬人的大腦神經系統，具有自學習能力，可以通過在線訓練不斷地修正網絡權值來調整網絡輸出，以便獲得所需要的期望輸出。神經網絡具有強大的非線性映射能力，從理論上講，可以充分逼近任何線性，甚至非線性模型，而且通過靈活的設計，神經網絡具有很好的魯棒性和容錯性，神經網絡在直線電機中的應用主要分為離線和在線兩種方式。前者利用離線仿真得到神經網絡的權值和偏差，具有運算速度快的優點，該權值和偏差一旦確定將不再改變，所以適用于實時性要求較高的場合，但是運算結果與實際目標量仍可能有一定的誤差。后者運算精度高，但是程序執行時間長，在實際應用中有一定的限制，一般多見于仿真研究。

試驗結果證明，該方法不僅具有控制靈活、適應性強等優點而且具有較高的控制精度和魯棒性。但是，神經網絡控制策略還不夠完善，其在實時性、控制率、穩定性等方面還需要進一步改進。

4 結語

永磁直線同步電機伺服系統具有一系列優點，它在家用電器、工業應用、高精度驅動等眾多領域得到成功應用。本文敘述了永磁直線同步電機特點、工作原理，針對新型永磁直線同步電機控制技術進行了綜述，比較各種控制策略的優缺點，為進一步研究永磁直線同步電機伺服系統控制技術提供支持。

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ControlTechnologyofPermanentMagnetLinearSynchronousMotor

WangWenbinandWangDecheng

(1.Harbin Institute of Technology, Harbin 150010, China；2.Heilongjiang Agricultural Vocational And Technical College, Jiamusi 154002,China)

Permanent magnet linear synchronous motor has the advantages of high efficiency, large output torque, small volume and easy control compared with common linear asynchronous motor. It greatly improves quick responsiveness and movement precision of the feed system, and becomes the most representative technology in a new generation of ultra precision machine tool. But its structural technology, control method and strategy directly affect its application and popularity. Based on the control characteristics of the motor, this paper analyzes its characteristics and working principle, summarizes the development situation of control technology of the new permanent magnet linear synchronous motor by combining with the related literature of permanent magnet linear synchronous motor at home and abroad, and describes various classical and modern control strategy.

Linear motor；control strategy；permanent magnet

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.04

TM301.2

A

1008-7281(2017)05-0013-003

王文斌男1996年生；哈爾濱工業大學交通科學與工程學院本科在讀，研究方向為電器、電機.

2017-05-18