永磁同步直线电机驱动系统扰动抑制方法研究

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永磁同步直线电机(Permanent magnet synchronous linear motor,PMSLM)具有结构简单、损耗小、效率高等特点,具有广阔的应用和发展前景。然而,永磁同步直线电机在运行过程中受到多种复杂扰动影响,导致系统控制精度下降。因此,深入研究扰动抑制方法对于实现高性能永磁同步直线电机驱动系统具有重要意义。目前,永磁同步直线电机实现高精度、强鲁棒性运行仍存在一些核心技术难点需要克服:(1)永磁同步直线电机驱动系统同时面临周期性定位力扰动以及摩擦力、机械参数摄动、负载变化等非周期性等效负载扰动,这两类扰动构成的多源扰动会造成系统定位精度下降,并引发机械振动与噪音;(2)永磁同步直线电机运行过程中,电机参数会不可避免地发生变化。这将造成预测电流控制方法存在计算偏差,进而导致电流控制精度下降,严重时造成系统发散;(3)常规扰动估计方法由于模型单一、观测器参数固定,难以适用于多种工况,扰动估计效果不理想。突破上述核心技术壁垒,对于拓宽永磁同步直线电机驱动系统应用场合具有重要的理论和实际意义。永磁同步直线电机驱动系统建模及扰动分析是研究扰动抑制方法的前提和基础。首先,利用坐标变换原理,建立了永磁同步直线电机数学模型。其次,通过分析齿槽效应和端部效应,对周期性定位力扰动产生机理进行建模和分析。此外,还分析了永磁同步直线电机速度环多源扰动的组成,以及多源扰动对电机驱动系统影响机理。最后,对永磁同步直线电机电流环进行建模,并针对电流环参数不确定性进行了分析,研究了电流环参数不确定性扰动的动态特性。以上分析为后续永磁同步直线电机扰动抑制方法的研究奠定了理论和实践基础。受永磁同步直线电机结构特性影响,周期性定位力扰动是造成推力波动和速度波动的主要因素,并且会进一步引起机械振动和噪声,增加电机损耗,影响电机控制系统性能,尤其在低速时影响更为严重。针对这一问题,提出一种增强型内模控制的周期性定位力扰动抑制方法。首先,采用基于内模控制的复合速度控制器,实现对单一频率周期性扰动的抑制。由于永磁同步直线电机驱动系统实际运行过程中受到的定位力扰动是由多频率周期性分量叠加而成,因此,提出一种增强型内模控制方法,将抑制单一频率周期性扰动的复合速度控制器扩展成能够抑制多个频率周期性扰动的复合速度控制器,并分析了闭环系统的抗扰性与稳定性。最后,实验验证了基于增强型内模控制的周期性定位力扰动抑制方法的有效性。结果显示,推力波动和速度波动显著减小,系统控制精度有效提高。实际工业应用中,永磁同步直线电机驱动系统在面临周期性定位力扰动的同时,还受到包括机械参数摄动、摩擦力矩、负载变化等非周期性等效负载扰动在内的多源扰动的影响,进一步造成控制性能下降。针对这一问题,提出一种能够同时观测多频率分量周期性扰动和非周期性等效负载扰动的多源扰动抑制方法。首先,设计广义比例积分负载推力观测器,并对其进行扰动跟踪误差收敛分析和噪声抑制性能分析。其次,提出一种基于增强型内模协同广义比例积分负载推力观测器的多源扰动抑制方法,并且分析了闭环系统的抗扰性与稳定性。最后,通过实验验证了基于增强型内模协同广义比例积分负载推力观测器的多源扰动抑制方法的有效性。针对永磁同步直线电机预测电流控制方法面临参数不确定性扰动造成电流控制精度下降、严重时甚至造成系统失稳的问题,提出一种基于增广内模扰动观测器的鲁棒预测电流控制方法。首先,利用预测电流控制原理设计永磁同步直线电机预测电流控制器。其次,提出一种增广内模扰动观测器,在线估计预测电流控制系统中的参数不确定性扰动并进行实时补偿,有效解决了参数摄动和模型失配造成的电流控制性能下降的问题。最后,实验结果表明,与传统预测电流控制方法相比,结合增广内模扰动观测器的鲁棒预测电流控制方法在具有优越电流响应性能的同时,显著提高了系统抗参数摄动和模型失配的鲁棒性。针对传统的单一模型扰动观测器存在参数固定、难以适用于多种工况且扰动估计效果不理想的问题,提出了一种多模型自适应扰动观测器。首先,利用多模型自适应原理,设计扰动自适应模型,并且基于辨识模型建立多个扰动估计模型,用多个模型来逼近复杂工况的动态特性并覆盖系统的不确定性。其次,设计权重自适应模型,按照调度机制将各个模型的输出进行加权融合,得到参数不确定性扰动的估计值。接着,将多模型自适应扰动观测器与预测电流控制方法相结合,实现扰动的实时补偿。在提高扰动估计性能的基础上,解决了常规预测电流控制方法对参数准确度依赖性强的问题。最后,实验验证了多模型自适应扰动观测器的有效性。
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