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《华中科技大学》 2011年
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永磁直线同步电机自抗扰控制系统及实验研究

闫光亚  
【摘要】:永磁直线同步电机相比于其它类型的直线电机具有高速度、高精度、快响应等优势,是一种极具竞争力的直驱电机,在数控系统、机器人及半导体加工装备等场合中拥有广阔的应用前景。自抗扰控制是一种采用非线性处理方法的新型实用控制技术,其核心思想是将影响被控对象动态特性的外部作用归结为“扰动”加以观测和补偿,并利用高效的非线性状态误差反馈实现被控对象的“自抗扰”控制,具有很强的鲁棒性和工程实用价值,是一种品质更好、效率更高的控制技术。 本文对永磁直线同步电机受到的摩擦力和磁阻力进行了分析,通过有限元数值计算和磁阻力测试实验得到了永磁直线同步电机的摩擦力和磁阻力模型,在此基础之上建立了永磁直线同步电机考虑多重扰动力下的数学模型,并在MATLAB/Simulink中搭建了带有多重扰动力的永磁直线同步电机仿真模型。 针对实际系统中存在系统输出测量噪声的问题,对传统的自抗扰控制算法做了改进,在反馈通道上加入了带有微分预测补偿算法的跟踪微分器,用以滤除系统输出的测量噪声,同时计算出输出的各阶微分,代替扩张状态观测器得到被控对象的状态变量,从而提出了改进型自抗扰控制算法。然后通过对永磁直线同步电机d-q轴电流状态方程中耦合扰动项的分析,给出了采用改进型自抗扰控制算法的d-q轴电流自抗扰解耦控制器,将作用于电流动态特性上的耦合项视为扰动加以观测和补偿,从而实现了电流自抗扰解耦控制。仿真实验结果表明采用改进型自抗扰控制能够获得优于采用PID控制及传统自抗扰控制的电流控制性能。 永磁直线同步电机受到的多重扰动力会直接影响电机的速度平稳性和定位精度,本文利用改进型自抗扰控制算法将多重扰动力对直线电机的扰动作用观测并加以补偿,先给出了一阶速度自抗扰控制器,在此基础上针对其中的不足,通过分析永磁直线同步电机的二阶运动方程,进一步提出了二阶速度自抗扰控制器,仿真实验证明二阶速度自抗扰控制具有更好的控制效果。然后针对多重扰动力对位置动态特性的扰动作用,给出了位置自抗扰控制器。文中分别给出了各自抗扰控制器的结构框图和控制系统原理框图,并在MATLAB/Simulink中建立了相应的仿真模型,通过仿真对控制系统进行了实验验证。 本文采用基于模型的设计方法,对永磁直线同步电机二阶速度自抗扰控制系统进行了包括快速原型系统测试、软件在环测试及处理器在环测试在内的系统半实物测试,在控制器实物做出之前对自抗扰控制算法及自动生成的C代码进行了测试和验证。然后设计并实现了以数字信号处理器(DSP)和可编程逻辑阵列芯片(FPGA)为核心处理器的永磁直线同步电机自抗扰控制系统实验平台的硬件和软件,在该实验平台上对本文提出的采用改进型自抗扰控制算法的永磁直线同步电机电流、速度和位置自抗扰控制系统进行了实验研究,试验结果表明相比于PID控制和传统ADRC控制,采用改进型自抗扰控制方法能够获得更好的动静态特性和抗扰能力。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM341

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【引证文献】
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