永磁直线同步电机的直接推力控制方法研究

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永磁直线同步电机(PMLSM)采取将能量转化为机械能的方法,取消物理减速与传递部件,如丝杠、皮带和链条,由于具有快速响应、高精准度、高功率密度等优点,在高精数控机床、工业传输等产业得到充分利用。分数阶微积分(FOC)拥有消减静态误差、强鲁棒性、存储复杂信息和描述记忆的特点,采取分数阶控制可以在一定范围内提高系统性能。本文针对PMLSM的直接推力控制(DFC)技术展开进一步的分析,提高PMLSM速度和推力响应的抗干扰能力。主要的研究内容和创新成果如下:(1)对PMLSM的控制方法进一步归类,确定以DFC技术为基础。建立了在各种坐标系下PMLSM的数学模型;对于PMLSM中DFC技术的运用展开具体阐述,在MATLAB/Simulink中搭建传统PMLSM-DFC技术仿真模型。(2)针对传统PMLSM-DFC中磁链、推力抖动等现象,替换磁链、推力中的滞环比较器,利用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)替代开关表选择模块,使系统的空间矢量切换不连续而导致的推力抖动得到改善,仿真结果证明,PMLSM-SVPWM-DFC与传统PMLSM-DFC相比较,前者的推力抖动明显减小、抑制了磁链抖动。对于仿真成果中出现的速度响应超调现象,在转速环调节器中采用滑模控制(SMC)方法,得到了显著效果,为接下来PMLSM中采取FOC控制技术确保了良好的前提。(3)将FOC理论引入SMC中,提出了分数阶滑模控制(FOSMC)转速环控制器,可以增强系统抗扰动能力,消减静态误差。针对传统FOSMC在PMLSMDFC中速度响应缓慢、转速环精度不高、磁链和推力波动大、抗扰动性能差等现象,对转速环调节器设计了一种改进FOSMC算法,该算法采取分数阶双幂次指数趋近律和分数阶变速趋近律共同作用的组合趋近律,能有效减弱系统振荡,加快趋近速率,仿真结果表明,与传统FOSMC相比,在PMLSM-DFC中采取改进FOSMC,磁链和推力波动明显减弱,系统响应速度加快,加强了PMLSM推力响应的抗外界干扰能力。(4)将FOC理论引入滑模变结构模型参考自适应系统(SM-MRAS)中,设计了分数阶滑模变结构模型参考自适应系统(FOSM-MRAS)观测器,可以增强系统辨识能力,消减系统误差。针对传统FOSM-MRAS在PMLSM-DFC下转速估计误差大、响应速度慢、抗干扰能力差、计算过程复杂等现象,设计了一种改进的FOSM-MRAS观测器,在速度辨识中根据直轴电流为零对分数阶自适应律进行简化,计算过程的复杂性以及误差程度得到减弱,并采用基于fal函数的分数阶双幂次指数趋近律设计的FOSM-MRAS观测器控制律应用在无速度传感器控制的PMLSM-DFC系统中,同时将改进FOSMC速度控制器代替PI速度控制器,提升了转速跟踪性能,削弱了电机参数变动和系统误差对推力、磁链和辨识精度的影响。搭建基于改进FOSM-MRAS观测器的PMLSM-DFC的仿真模型,控制方法得到进一步实现。
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