[发明专利]一种永磁直线同步电机滑模控制系统

说明书

本发明公开了一种永磁直线同步电机滑模控制系统，属于直线电机控制技术领域。首先建立永磁直线同步电机在两相同步旋转正交坐标系上的动态方程；其次，将其简化为特殊的二阶积分串联型数学模型；然后，设计一种线性扩张状态观测器得到扰动的估计值，并将其大小考虑到滑模控制律的设计中以削弱抖振现象；最后，应用李雅普诺夫稳定性理论分析了系统的稳定性。本发明最重要的特征是采用该线性扩张状态观测器可以准确地估计系统状态和扰动，并且控制系统具有很强的鲁棒性，能实现对给定位移信号的准确跟踪。此外，滑模控制的抖振现象也得到了极大地改善，适用于永磁直线同步电机伺服控制系统的设计。

技术领域

本发明涉及一种永磁直线同步电机滑模控制系统，属于直线电机控制技术领域。

背景技术

与旋转电机相比，三相交流永磁直线同步电机具有结构简单、过载能力强和进给加速度大等特点，因而被广泛地应用于高速度、高加速度和高精度等场合。此外，直线电机无需中间传动装置便能产生直线运动，因此取代了传统的“旋转电机+滚轴丝杆”的传动形式。然而，永磁直线同步电机的动态模型是一个非线性、高阶和强耦合的多变量系统，其分析与控制相当复杂，需对其进行简化并研究新的控制方法。

由此可见，永磁直线同步电机伺服控制系统的设计对提高控制系统的动态性能起着至关重要的作用。

目前，最常用的控制策略为PID闭环控制，这种传统的控制系统动态响应速度慢且控制精度较差。滑模控制作为一种特殊的非线性控制技术，在系统的动态运行过程中，可以根据当前系统状态的偏差及其各阶导数等，使控制量有目的地来回切换，迫使系统按照期望的轨迹运动。将其应用到电机控制领域后，控制系统具有动态响应速度快、对参数摄动及外部扰动鲁棒性强以及易于设计与实现等诸多优点。此外，为了有效地降低干扰对控制系统的影响，可设计观测器对其进行估计。与常用的扰动观测器和滑模观测器等相比，状态观测器需要的系统信息量最少，且不依赖于控制系统的数学模型，只需控制输入和系统输出(可观测)，便能准确地得到干扰的估计值。

发明内容

发明目的：为了实现对给定位移信号的准确跟踪并降低干扰对控制系统的影响，本发明提出了一种永磁直线同步电机滑模控制系统。本发明针对永磁直线同步电机，设计线性扩张状态观测器得到扰动的估计值，并将其大小考虑到滑模控制律的设计中取代符号函数项以削弱抖振现象，从而构成永磁直线同步电机滑模控制系统，实现对干扰的抑制以及对给定位移信号的准确跟踪。为了实现直线电机对给定位移信号的准确跟踪。本发明首先从直线电机的基本工作原理出发，建立永磁直线同步电机在两相同步旋转正交坐标系上的动态方程；其次，将其简化为特殊的二阶积分串联型数学模型；然后，设计一种线性扩张状态观测器得到扰动的估计值，并将其大小考虑到滑模控制律的设计中以削弱抖振现象；最后，应用李雅普诺夫稳定性理论分析了系统的稳定性。本发明最重要的特征是采用该线性扩张状态观测器可以准确地估计系统状态和扰动，并且控制系统具有很强的鲁棒性，能实现对给定位移信号的准确跟踪。此外，滑模控制的抖振现象也得到了极大地改善，适用于永磁直线同步电机伺服控制系统的设计。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种永磁直线同步电机滑模控制系统，包括位移误差模块、扩张状态观测器、滑模面以及滑模控制律模块，其中：

位移误差模块将给定位移p^*与永磁直线同步电机的实际位移x₁相减得到位移误差信号e₁，并将其发送到滑模面；

滑模面根据位移误差模块输出的位移误差信号e₁得到滑模函数值s(e₁)；

扩张状态观测器根据滑模控制律模块的输出的控制信号u和永磁直线同步电机的实际位移x₁对干扰进行实时在线地估计以得到干扰估计值z₃，并将干扰估计值z₃发送到滑模控制律模块；