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基于ZPETC和DOB的直线电机控制器设计及实验研究

更新时间：2019-12-30 17:08:54 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

直线电机驱动系统中存在的负载力、推力波动等干扰力会引起跟踪误差,降低跟踪性能.干扰观测器可以检测并补偿干扰,有效提高系统的抗干扰能力.前馈控制是提高系统跟踪性能的另一种方法,如直接速度前馈控制器、零相位误差跟踪控制器等,可以有效提高系统带宽,提高跟踪性能.针对直线电机在抗干扰和动态响应方面的需求,该文研究了基于直接速度前馈控制器、零相位跟踪控制器和干扰观测器的直线电机控制方法,并给出实验结果.结果表明,直接速度前馈控制器使位置能够无静地跟踪二阶指令输入,干扰观测器能够很好的抑制推力波动和摩擦力的影响,零相位跟踪控制器能够提高位置闭环带宽,改善跟踪性能,特别是三阶位置指令输入时的跟踪误差.

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、，ol，32 No．24

◎2012 Chin．Soc．f．0r

第32卷第24期

134 2012年8月25日

中国电机工程学报

ofthe CSEE

Proceedings

Aug．25，2012

Elec．Eng．

文章编号：0258．8叭3(2012)24．0134一07

中图分类号：TM

文献标志码：A

学科分类号：470· 40

基于ZP

ETC和DOB的

直线电机控制器设计及实验研究

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)

ZPETC andDoBBased ControIIer

for PMLSMand

Design

ExperimentalInVestigation

Kai

Fanwei，zHOU

zhijun，LIUCheng如ng，MENG

Precision Instn衄ems and

MechaIlolog)，，Tsinghua U11iversi吼Haidiall District，Beijing ¹00084，Chim)

(D印amnent

ABSTRACT：The

oflinear motor driVe

控制器能够提高位置闭环带宽，改善跟踪性能，特别是三阶

位置指令输入时的跟踪误差。

tracl(ing perfomance

deteriorated the

as load

one of

system is毋七atly

force，fofce

dis锄ances，such

obse“er(DOB)is

etc，DisturbaIlce

used methods to

ripple

关键词：直线电机；零相位跟踪控制器；干扰观测器

the most

distllrb锄ces，

compensate

widely

robustness to extemal disturbances．Feed Forward

引言

improving

con仃011er is another method to

which includes

irnpmve

me仃acking

直线电机驱动系统在机械加工装备、硅片工作

台、电梯和精密工程等领域具有重要的应用【J引。在

数控机床进给系统中，相对于传统的旋转驱动+传

动转换的形式，直线电机能够获得更好的驱动性

能，如更大的加速度、消除间隙和传递误差、更高

的刚度等。但是，省去中间传动环节使干扰力直接

作用于直线电机，且电机多运行在低速段，这对直

线电机控制器提出了更高的要求13】。

error

zero．phase

feed

perfbrInance，

仃acking

connDller(zPETc)，dircct Velocit)r

This to combine me

forward(FFV)etc．

DoB alld ZPETC

FFV

p叩er proposed

with conventionalPIDcontfoller to

robusmess and

impfoVe{hg

given

results were

to confim me

errorwhen

dyn锄ics．Exp耐mental

declarations．Wim addition ofFF

v'stadc

following

was elirninated．Disturbances like

廿ac：king 2一order廿ajectory

force邱ple

and fHction were

DOB．

extent

greatly suppressed by

was

Finally，the仃acking perfomlance

when仃acbng 3一order圩ajectom

improved

la玛e

传统控制系统广泛采用多环PID控制，它结构

which wasdue to me_enla玛ed

bandwidm．

position 100p

简单，计算量小，适合实时控制。但是，单纯的PID

控制器通常不能满足跟踪精度的要求，特别是三环

KEY WoRDS： 1inear

error

motor； zem—phase

tracl(ing

控制时，较低的位置环带宽严重损害了直线电机系

统的跟踪精度，所以有必要对传统PID控制器进行

改进。两自由度PID控制器可以在保证系统稳定性

及抗干扰能力的情况下，通过配置系统零极点，提

高系统的动态响应能力H。、直接速度前馈(feed

controller(ZPETC)；disturbance observer(DOB)

摘要：直线电机驱动系统中存在的负载力、推力波动等干扰

力会引起跟踪误差，降低跟踪性能。干扰观测器可以检测并

补偿干扰，有效提高系统的抗干扰能力。前馈控制是提高系

统跟踪性能的另一种方法，如直接速度前馈控制器、零相位

误差跟踪控制器等，可以有效提高系统带宽，提高跟踪性能。

针对直线电机在抗干扰和动态响应方面的需求，该文研究了

基于直接速度前馈控制器、零相位跟踪控制器和干扰观测器

的直线电机控制方法，并给出实验结果。结果表明，直接速

度前馈控制器使位置能够无静地跟踪二阶指令输入，T．扰观

测器能够很好的抑制推力波动和摩擦力的影响，零相位跟踪

forward

fonⅣard

veloci钾，FFV)和加j塞度前馈(feed

aceeleration，FF舢能够有效提高运动系统的动态性

能，是一种结构简单、物理意义明确的方法。文

献[5]在PID控制器上加入了FFV，将速度指令乘以

一定的比例系数直接赋给驱动，减小了系统在跟踪

CHEN和

斜坡轨迹和圆弧轨迹的误差；Chin—Sheng

基金项目：国家科技重大专项(20llZx04016．叭l，2009zx04010，

An—Chen LEE[6】在传统PID控制器的基础上增加了

FFV和FFA控制器，并给出不同情况下FFV和FFA

控制器的设计方法，系统的跟踪误差从平均80个

022、。

National Sci∞ce and

2009ZX04010—0221。

Tcclln0109y Major

Project(20llzx04016-011，

’

万方数据

135

第24期

李志军等：基于zPETC和DOB的直线电机控制器设计及实验研究

编码器的分辨率(BLU)降至平均20个BLU。随着

技术的发展，预先获得系统的控制指令已变成现

实，充分利用未来指令能够使系统获得更好的动态

特性。基于预先获得控制指令，TomizukaM【7J在理

con仃011er，PTC)的基

error

想跟踪控制器①erfect仃acking

图1直线电机动态模型

modeloflinear motor

Dynamic

Fig．1

础上提出了零相位跟踪控制器(zero一曲ase

仃acbngcon仃01ler，ZPETC)，并得到广泛应用[8—1

01。

非线性因素，如摩擦力、推力波动等，被视为干扰。

zPETC是基于系统模型设计的，所以其对模型参数

2直线电机控制器结构

C和Tomizul【a M叫

的波动非常敏感，为此Tsao

2．1控制器结构图

进一步提出了自适应zPETC，通过在线自适应辨识

系统模型参数。但是，直线电机系统中存在着多种

非线性干扰力，如端部力、齿槽力和摩擦力等，其

会影响参数辨识的结果，引入误差。干扰观测器

(disturbance obsen，er，DOB)是一种根据内模原理设

计的，能够检测出系统的干扰力和模型波动，并通

过电流补偿的方式抑制干扰力和模型波动的影响，

不仅能够使系统模型保持鲁棒性，而且还能够抑制

图2为直线电机控制器结构，包括速度控制器

Gv。(s)、位置控制器GD。(s)、FFV(D、DOB和zPETC

等。图2所示控制器忽略了电流环的动态过程和粘

滞摩擦力，这对于直驱平台是合理的，因为在电流

环控制器的作用下，电流响应时间远小于机械系统

的响应时间；直线滚动导轨的粘滞摩擦系数比较

小，可将粘滞摩擦力视为外界干扰。

2．2有速度前馈控制器FFV(s)的闭环系统

速度控制器Gv。0)用来保证速度的跟踪性能和

抵抗外界的干扰力，为了保证对斜坡速度无静差地

41。

外界干扰力的影响，被广泛应用[12。1

为了获得更好的动态性能和刚度，本文提出了

一种基于FFV、zPETC及DOB的直线电机控制器，

并给出了实验结果，验证了该控制器的有效性。

跟踪，速度控制器Gvc0)采用PI控制。位置控制器

Gn。0)用来保证位置的跟踪性能，为了防止位置出

现超调，位置控制器GD。O)采用P控制。速度直接

前馈FFV0)通过对位置指令进行微分，将速度指令

前馈到速度控制器的参考输入处。

永磁直线电机模型

本文研究对象是直线滚动导轨支承的电压型

IGBT驱动的永磁直线同步电机(pennanent magnet

1inear

速度环和位置环控制器可以表示为

syncllronous motor，PMLSM)。若忽略端部效

应、齿槽力和不对称电感的影响，采用矢量控制时

令珏指令为0，直线电机模型[15_171可近似表示为

呲

％

+监

(5)

◇

、，＼，

％

(1)

％=咒fg+K票+厶导

_卜邓

啪唧收

(2)

M等：E一％一曰祟

E。=墨艺

在不考虑速度直接前馈FFVQ)时，从位置指令

Z至位置输出x的传递函数可以表示为

(3)

式中：％为驱动电压的g轴分量；R。为绕组电阻；

兰旦：；堡苎!鱼!± 垒!

Z(J)尬3+墨(％+s)(％J+％)

(6_’)

三。为绕组电感；岛为g轴电流；疋为反电势系数：

局为电磁推力系数；M为电机运动部件的质量；疋

为电磁力；JDLd为干扰力和负载；B为粘滞摩擦系

根据拉普拉斯变换终值定理，当指令输入为二

阶位置指令时，位置响应会有静差，而一般的轨迹

跟踪系统通常要求位置环能无静差地跟踪加速度

指令输入。

数：x为位置；f为时间。方程式(1)、(2)、(3)表示

的直线电机模型如图1所示。由于电气时间常数远

小于机械时间常数，所以电流调节动态过程可以忽

略，直线电机模型可简化为

引入速度直接前馈FFV(J)后，从位置指令Z

至位置输出x的传递函数变为

(4)

“

‘犬

M警d∥=K睾一DM棚鲁

x(s)

墨(％+s)(％s+％)

Z(J)尬3+墨(％+J)(％J+％)

这是一个典型的二阶系统。直线电机系统中的

万方数据

一==一

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