基于自适应扰动观测器的永磁同步直线电机无差拍预测电流控制研究

摘要

永磁同步直线电机(Permanent-Magnet Synchronous Linear Motor，PMSLM)由于具有高速度、高精密、大行程和高动态特性等优点，可以减少中间环节带来的误差，能够克服“旋转电机+丝杠”或“旋转电机+齿轮齿条”的固有弱点，满足高精密直线伺服驱动的要求，在激光切割机、高档数控机床等各类高精密工业伺服场合具有重要应用价值。 在高精密PMSLM控制系统中，通常采用位置环、速度环、电流环三环级联控制。其中，电流环作为最内环，是衔接控制单元和直线电机，控制推力输出的关键环节。由于直线电机的直驱工作模式，推力的平滑输出直接决定了直线电机的动子定位或轨迹跟踪精度。为了获得高品质推力和高位置带宽以提高系统的跟踪精度，电流闭环控制需要保证高电流带宽和强鲁棒性。因此，本课题提出一种基于自适应扰动观测器的无差拍预测电流控制算法，提高控制系统的动态响应和抗扰动性能。与此同时，为了抑制推力波动和逆变器非线性引起的扰动，本课题分别引入线性观测器和谐振调节器，嵌入到电流闭环控制系统中，进一步提高PMSLM的电流控制精度，从而实现PMSLM的高精密定位目标。文章主要内容如下: 首先，由于永磁同步直线电机是一个强耦合、多变量和非线性的复杂系统，为了能够更好地设计先进的PMSLM控制策略，本文基于坐标变换关系，建立了同步旋转坐标系下的PMSLM数学模型，然后将得到的模型离散化，结合电压空间矢量脉宽调制技术，推导出PMSLM无差拍电流预测模型。 其次，分析了传统无差拍预测控制存在的两个问题:控制时延问题和参数失配问题。针对这两个问题，本文提出了基于自适应内模观测器的无差拍预测控制算法和基于自适应Luenberger观测器的无差拍预测控制算法。其中，基于自适应内模观测器的无差拍预测控制算法主要是将改进的电流预测模型和内模控制相结合，分别提高电流预测精度和补偿参数失配扰动。而基于自适应Luenberger观测器的无差拍预测控制算法则是通过建立离散的Luenberger观测器，同时估计下一时刻的电流和扰动大小，以克服控制时延和参数失配带来的影响。 接着，为了进一步抑制逆变器非线性和推力波动带来的非线性扰动，本文首先将谐振调节器与预测控制相结合，设计一种谐振预测控制器，来抑制相电流谐波;然后基于PMSLM的动力学模型，建立了PMSLM推力波动线性观测器，将观测到的推力波动转化为电流前馈到电流环中，以补偿推力波动带来的扰动。 最后，搭建了基于半实物AD5435的PMSLM控制实验平台，并进了一系类相关的对比实验。实验结果表明，本文提出的基于自适应扰动观测器的无差拍预测控制能够有效提高电流的动态响应能力和鲁棒性能，减小推力波动，提高PMSLM的定位精度和重复定位精度。