永磁直线同步电机控制技术

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(1哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150010；2黑龙江农业职业技术学院，黑龙江佳木斯 154002)

永磁直线同步电机控制技术

王文斌1，王德成2

(1哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150010；2黑龙江农业职业技术学院，黑龙江佳木斯 154002)

永磁直线同步电机与普通的直线异步电机相比,具有效率高、输出力矩大、体积小、易于控制等优点,极大地提高了进给系统的快速响应性和运动精度,成为新一代超精密机床中最具有代表的技术。但其结构工艺、控制方法及策略直接影响直线电机的应用与推广。该文根据永磁直线同步电机控制特点，分析了永磁直线同步电机特点及工作原理，结合国内外基于永磁直线同步电机的相关文献，综述了新型永磁直线同步电机控制技术发展概况，并阐述了经典及现代的各种控制策略。

直线电机；控制策略；永磁

0 引言

直线电机是近年来发展迅速的新型电机,它是一种可以将电能直接转换成直线运动,而不需要任何中间转换机构的电磁传动装置。跟旋转电机相对应,直线电机按机种可以分为异步(感应)直线电机、同步直线电机、直流直线电机和其他类型的直线电机(如直线步进电机、直线振荡电机、直线超声波电机、直线开关磁阻电机等)。永磁同步直线电机在力能指标、速度、定位精度、效率等方面比其他直线电动机有更多的优势,所以在许多现代高精密直线驱动控制系统中,永磁同步直线电机是一种比较理想的直线伺服电机。交流伺服系统本身就是一个有较强非线性、耦合性及时变性的复杂系统,加之系统运行时还会受到不同程度的干扰,控制难度比较大。另外,直线电机中存在的“端部效应”,其气隙也要比同等容量旋转电机大2～3倍,功率因数和效率低,在单边型直线电机中,更是存在单边磁拉力,容易使轴弯曲。针对以上提出的各种问题,需要选择有效的控制策略。

但是,直线电机伺服系统是一种具有高度快速性的动态系统,不可能在几十毫秒的起动或制动过程以及更为短暂的动态调节过程中实现十分复杂的控制算法,所以在满足主要控制要求的同时,满足对各种扰动的抑制以及对指令的无延时、无超调的跟踪,选择一种合适的、成功的控制策略,发展高性能的直线电机伺服系统已经成为国内外众多学者的共同目标，近些年来也获得了不少的成果。本文根据永磁直线同步电机控制特点，分析了永磁直线同步电机技术发展概况，结合国内外的相关文献，综述了新型的永磁直线同步电机控制策略发展概况，介绍了每种控制策略，阐述了它们的优缺点。

2 永磁同步直线电机概况及发展现状

直线电机的结构、驱动方式与旋转电机有很大的相似之处，早期直线电机伺服系统控制沿用和改进了普通电机的 PID 反馈控制、解耦控制、Smith 预估计控制等传统的控制策略。目前 PID控制策略依然是伺服系统控制技术中比较成熟和常用的控制策略，且应用比较广泛。随着计算机技术和数字技术的发展，原来需硬件来实现的功能现用软件来完成，其中用到的算法称为数字 PID 算法。数字 PID控制器在灵活性上有很大改进，可以根据具体的控制对象实时调整参数。

永磁同步直线电机的伺服系统应用 PID 控制器也能够进行一些参数的控制，但是永磁同步直线电机一般应用在高精度、高效率、高速率的伺服系统中，在这些系统中，PID 控制策略无法满足要求。在高精度微进给的高性能伺服系统中，需要把对象的结构和参数的变化、各种非线性因素的影响、运行环境的变化及各种外界的干扰都考虑进来，才能得到可实际应用的控制策略。因此，人们开始尝试把现代控制策略和智能控制方法应用到永磁同步直线电机的控制中，目前应用在直线电机伺服系统中的现代控制策略有模型参考自适应控制、鲁棒控制、模糊控制和神经网络控制等。

3 控制策略在直线电机伺服系统中的应用

3.1 经典控制策略

经典控制策略中的代表非PID策略莫属了，但是,PID控制对被控对象模型参数的变化较为敏感,鲁棒性不够满意,此外,PID控制的整定比较费时,由于参数间的相互影响,往往难以收到最优的效果。目前,PID控制更多的是与其他控制策略相结合,形成带有智能的新型复合控制,如将PID控制与模糊控制相结合,实现了对PID参数的自校正,使直线电机伺服系统的鲁棒性得到增强,获得较好的控制效果。

除了PID控制算法外,例如解耦控制、Smith预估器等经典控制方法,在直线电机伺服系统中也得到了较好的应用。直线电机伺服系统是一个多变量、强耦合的非线性控制系统,人们经常采用转子磁链定向的矢量解耦控制方法,来消除励磁控制回路和推力控制回路之间的耦合,使两个控制回路可以分别独立受控;Smith预估器与控制器并联,可以使控制对象的时间滞后得到完全的补偿,这样在设计控制器时就不必考虑对象的时滞影响,对解决直线电机伺服系统中逆变器电力传输延时和速度测量滞后所造成的速度反馈滞后影响是很有效的。

3.2 模型参考自适应控制技术

模型参考自适应控制策略的主要意义是将不含待估参数的方程作为参考模型，而将含有待估参数的方程作为可调模型，两个模型的输出量具有相同的物理意义，利用两个模型的输出量的误差构成合适的调整率来实时调整可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。

此时实际系统与参考模型的输出误差将趋近于零，系统逐步稳定。已有的仿真结果表明，利用Lyapunov 理论构造的模型参考自适应系统的鲁棒性很好，它比采用传统 PID 控制策略的系统具有更好的动态性能和更强的抗干扰能力。

3.3 鲁棒控制策略

鲁棒控制研究始于 1976 年，是针对系统存在的不确定性，包括模型的不确定性(如参数变化和未建模动态特性等)、外界扰动的不确定性等，目的是设法保持系统的稳定鲁棒性和品质鲁棒性。经过 30 多年的发展，鲁棒控制理论研究获得了丰富的成果，在实践中也得到了广泛应用。

鲁棒控制理论是一种较为成熟的控制方法。H控制实质是使系统从扰动至偏差的传递函数中 H的取值范围极小或小于某一给定值，由此来设计控制器，这对抑制扰动有良好效果。1988 年 Dolye 等人证明了 H∞的设计问题可以通过代数 Riccati 方程来解决，至今为止，H设计方法依然主要应用这个解法。

3.4 模糊控制策略

模糊控制是伺服系统中应用最广泛的一种智能控制技术，模糊控制器能够把专家的知识转化为控制系统的模糊集，利用一定的模糊推理规则，这些模糊集就能够对系统的输出进行智能调节。这种控制方法实时性好，不需要精确的数学模型而且还可以具有很高的鲁棒能力。所以在伺服控制中，模糊控制得到了广泛的研究和应用。模糊控制的基本原理是根据现有的专家知识生成专家知识库，通过模糊推理产生控制输出。

模糊控制器主要由四部分构成：模糊量化、模糊推理、去模糊化和模糊规则。其工作过程为：首先把速度的误差e和误差变化律进行模糊量化处理，然后根据模糊算法进行模糊推理(推理后的结果依然是模糊值)，最后进行去模糊化处理。尽管模糊控制提高了系统的智能性，但它本身固有一些缺点，如建模困难、缺少积分项、应用时需更多与其他控制策略组合等。

3.5 神经网络控制策略

神经网络从结构上模拟人的大脑神经系统，具有自学习能力，可以通过在线训练不断地修正网络权值来调整网络输出，以便获得所需要的期望输出。神经网络具有强大的非线性映射能力，从理论上讲，可以充分逼近任何线性，甚至非线性模型，而且通过灵活的设计，神经网络具有很好的鲁棒性和容错性，神经网络在直线电机中的应用主要分为离线和在线两种方式。前者利用离线仿真得到神经网络的权值和偏差，具有运算速度快的优点，该权值和偏差一旦确定将不再改变，所以适用于实时性要求较高的场合，但是运算结果与实际目标量仍可能有一定的误差。后者运算精度高，但是程序执行时间长，在实际应用中有一定的限制，一般多见于仿真研究。

试验结果证明，该方法不仅具有控制灵活、适应性强等优点而且具有较高的控制精度和鲁棒性。但是，神经网络控制策略还不够完善，其在实时性、控制率、稳定性等方面还需要进一步改进。

4 结语

永磁直线同步电机伺服系统具有一系列优点，它在家用电器、工业应用、高精度驱动等众多领域得到成功应用。本文叙述了永磁直线同步电机特点、工作原理，针对新型永磁直线同步电机控制技术进行了综述，比较各种控制策略的优缺点，为进一步研究永磁直线同步电机伺服系统控制技术提供支持。

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ControlTechnologyofPermanentMagnetLinearSynchronousMotor

WangWenbinandWangDecheng

(1.Harbin Institute of Technology, Harbin 150010, China；2.Heilongjiang Agricultural Vocational And Technical College, Jiamusi 154002,China)

Permanent magnet linear synchronous motor has the advantages of high efficiency, large output torque, small volume and easy control compared with common linear asynchronous motor. It greatly improves quick responsiveness and movement precision of the feed system, and becomes the most representative technology in a new generation of ultra precision machine tool. But its structural technology, control method and strategy directly affect its application and popularity. Based on the control characteristics of the motor, this paper analyzes its characteristics and working principle, summarizes the development situation of control technology of the new permanent magnet linear synchronous motor by combining with the related literature of permanent magnet linear synchronous motor at home and abroad, and describes various classical and modern control strategy.

Linear motor；control strategy；permanent magnet

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.04

TM301.2

A

1008-7281(2017)05-0013-003

王文斌男1996年生；哈尔滨工业大学交通科学与工程学院本科在读，研究方向为电器、电机.

2017-05-18