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质量波动对永磁同步直线电机控制器的影响及其补偿

更新时间：2019-12-25 15:59:51 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：直线电机控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

在直线电机进给系统中,运动质量的波动是最主要的模型参数波动.基于将干扰观测器和零相位跟踪控制器与PID相结合的控制器结构,分析了质量波动对位置闭环带宽的影响,通过分析可知质量增大会降低位置带宽,破坏位置闭环的零相位误差特性,降低位置跟踪性能.为了补偿质量波动的影响,提出一种基于质量估计和模型补偿的控制器结构.质量估计采用模型参考自适应方法,能够准确及时地估计出质量,稳定后误差不超过3.5％.模型补偿包括质量波动补偿和电流前馈,可使实际模型与设定模型保持一致,补偿了质量波动对位置闭环带宽的影响,保持了控制器的跟踪性能.实验结果验证了该方法的有效性.

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V01．32 No．33

@2012 Chin．Soc．for

第32卷第33期

2012年11月25日

中

国

电机工程学报

ofthe CSEE

Nov．25，2012

Proceedings

Elec．Eng

341

文献标志码：A

学科分类号：470· 40

文章编号：0258—8013(2012)33．0067．08

中图分类号：TM

质量波动对永磁同步直线电机控制器的

影响及其补偿

李志军，刘成颖，孟凡伟，周凯

(清华大学精密仪器与机械学系，北京市海淀区100084)

Influences ofMass Variation on Permanent

Linear

Synchronous

Magnet

^ItsCompensation

MotorControllers and

Kai

Fanwei，ZHOU

Zhijun，LIUChengying，MENG

and

Mechanology,Tsinghua University,Haidian District，Beijing ¹00084，China)

ofPrecision Instruments

(Department

ABSTRACT：Parameter _{variation．especially}mass variation．

动补偿和电流前馈，可使实际模型与设定模型保持一致，补

偿了质量波动对位置闭环带宽的影响，保持了控制器的跟踪

性能。实验结果验证了该方法的有效性。

occurs

linear

frequently

permanent magnet

synchronous

motor feed

effect of mass variation on

systems．The

position

bandwidth is conducted based on the controller structure

loop

关键词：质量估计；模型波动；模型补偿；干扰观测器；零

相位跟踪控制器；直线电机

of disturbance observer and zero

controller and

error

composed

phase

tracking

proportional—integral—derivative(PID)

controllers．A

mass would decrease the

position loop

large

引言

zero

bandwidth and ruin the

error characteristics，which

phase

直线电机由于其结构简单、具有高速和高加速

度等特点而被广泛应用于各种直线进给场所u。J，特

deteriorates

the

tracking performance．A compensator,

and model

mass identification

including

compensation，is

the mass variation effect．A model

introduced

compensate

linear

别是永磁同步直线电机(permanent magnet

method is utilized in mass

reference

adaptive

steady

identification，

motor，PMLSM)由于其高效率、高推

synchronous

has

errors

than 3．5％．The can

system

compensation by

which

state

less

力密度及高控制精度等特点而获得青睐。但是，省

去中问传动环节使得干扰力直接作用于直线电机，

直线电机铁心断开会导致直线电机的三相电感不

对称，这都对直线电机控制器提出了更高的要

retain

with model

tracking performance

the actual model close to the fixed nominal model．

making

results are

to confirm the

validity

of the

Experimental

given

controller．

proposed

求【4‘5J。干扰观测器(disturbance observer，DOB)能

够检测出系统的干扰力和模型波动，并通过电流前

馈补偿干扰力和模型波动，有利于提高系统刚度和

KEY WORDS：mass

identification；model variation；model

error

observer；zero

compensation；disturbance

phase

tracking

motor

controller；linear

模型鲁棒性，受到学者们的关注怕崔J。DOB是基于

摘要：在直线电机进给系统中，运动质量的波动是最主要的

模型参数波动。基于将干扰观测器和零相位跟踪控制器与

PID相结合的控制器结构，分析了质量波动对位置闭环带宽

的影响，通过分析可知质量增大会降低位置带宽，破坏位置

闭环的零相位误差特性，降低位置跟踪性能。为了补偿质量

波动的影响，提出一种基于质量估计和模型补偿的控制器结

构。质量估计采用模型参考白适应方法，能够准确及时地估

计出质量，稳定后误差不超过3．5％。模型补偿包括质量波

被控对象名义模型设计的，当实际模型和名义模型

存在偏差时，DOB会引入相位补偿，导致跟踪性能

error

变差[9]。零相位前馈控制器(zero phase

tracking

controller，ZPETC)是Tomizuka等基于指令预读功

01，能够提高系统带

能而设计的一种前馈控制器【1

宽，减小跟踪误差，广泛用于运动控制【11-131。ZPETC

是基于系统闭环模型设计的，模型参数波动会降低

系统的跟踪性能。

基金项目：国家科技重大专项(2011ZX04016—011，2009ZX04010—

022)。

抑制模型参数波动影响的方法主要有两类：第

一类方法是在线估计模型参数，并根据估计结果在

National Science and

Technology Major Project(2011ZX04016-011．

2009zx04010—022)．

万方数据

中

国

电机工程学报

第32卷

线调整控制器参数【14‘16。，这类方法需要根据估计的

模型参数调整各部分控制器的参数，需要大量在线

计算；第二类是在线估计模型参数，然后对实际模

型进行补偿，使其与名义模型相一致【17-18]，此类方

法仅需要根据估计的模型参数对实际模型进行补

偿，使其与设定的名义模型一致，而无需调整控制

器参数，计算量更小，实现更简单。

增大运动系统质量，降低系统跟踪性能。为此，基

于由DOB、ZPETC和PID组成的控制器，本文研

究了质量增大对位置闭环带宽的影响，并提出～种

基于MRAM质量估计和模型补偿的控制器结构。

该控制器能够准确及时地估计出运动质量，根据估

计的质量对模型进行补偿，抑制了质量增大对系统

跟踪性能的影响，保持了控制器的跟踪性能。

在PMLSM系统中，电气参数波动通常很小，

机械参数波动是影响运动性能的主要因素。专家学

者们研究了PMLSM机械参数的估计方法，如文

质量波动对PMLSM控制器的影响

1．1

控制器的基本结构

图I为本文提出的控制器结构，包括位置环控

献『19-20]采用基于干扰观测器的参数估计方法，但

该方法要求跟踪周期速度指令，不适用于在线实时

制器G口。0)、速度环控制器avo(S)、速度前馈(velocity

feed

forward，FFV)控制器HrFv(s)、DOB、ZPETC

参数估计；文献[14]采用基于扩展状态观测器的质

量估计方法，它将外在干扰视为系统的一个额外状

态，并假设外界干扰力相对采样时间是缓慢变化

的；文献[21．221采用模型参考自适应法(model

以及质量估计和模型补偿。图中：彳为位置；v为

速度；／0为印轴电流；聊为运动质量；K为推力系

数；Fe为电磁推力；DLd为负载；下标r表示变量

的指令值；下标n表示变量的名义值。控制器G。。(s)

和G。。(s)用来保证闭环系统的稳定性；FFV和

ZPETC用来提高位置闭环的带宽，提高系统跟踪能

力；DOB主要用来补偿外界干扰和模型波动，提高

系统刚度和模型鲁棒性。质量估计和模型补偿器能

够辨识实际质量，并补偿质量波动对位置带宽的影

reference

adaptive method，MRAM)，该方法同样假

设外界干扰力相对采样时间是缓慢变化的，但该方

法不需构建观测器，计算稍简单；迭代最小二乘法

和扩展卡尔曼滤波法在质量估计中也得到广泛应

用[15,17,23]。

在PMLSM进给系统中，工件及卡具等负载会

图1直线电机控制器结构

Controller structureofPMLSM

Fig．1

响，保持控制器的性能。

笠墨坠兰± 刍!：

兰堕：

义：(s) ms3+Kt(ko+s)(kes+ki)

l／l

f21

、’

1．2控制器FFV，ZPETC和DOB

Gv。(s)采用比例积分控制器，以提高速度环抗

干扰能力；Gp。O)采用比例控制器；FFV采用纯微

分环节，直接将位置指令差分得到速度指令，即

塑堕：

墨亟± 丛生± 生12

f3、

、’

《(5) ms3+Kt(kc+J)(后Ps+kI)

一=一

比较式(2)、(3)可以看出，FFV引入了新的零

点，提高了位置闭环的动态性能。根据终值定理，

加入FFV后系统实现了无静差地跟踪2阶位置指令

输入。

Gp。(s)=kc

{Gvc(s)=kp+kT／J

lHFFv(J)=S

(1)

将式(3)离散化，并根据文献Uo]给出的方法设

计ZPETC控制器。ZPETC利用未来指令，消除了

相位误差，进一步提高了位置环的带宽。

式中‰ ，砩，ki为控制器参数。

PMLSM系统的电气时间常数通常远远小于机

械时间常数，所以电流动态响应可以忽略不计，则

没有FFv和有FFv的位置闭环传递函数分别为

为了分析引入FFV和ZPETC在提高位置环带

宽方面的作用，图2给出了采用不同控制器时的位

万方数据

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