[发明专利]提高永磁直线同步电动机鲁棒跟踪控制精度的装置及方法

权利要求书

1.一种提高永磁直线同步电动机鲁棒跟踪控制精度的装置，其特征在于：包括电源模块、检测电路模块、DSP处理器模块、IPM智能功率模块、永磁直线同步电动机以及上位机模块；

所述电源模块包括三相交流电源、整流电路以及IPM逆变电路；所述整流电路的输入端与三相交流电源相连，输出端与所述IPM逆变电路的输入端相连；IPM逆变电路输出端连接所述永磁直线同步电动机；

所述DSP处理器模块包括DSP处理器及外围电路，所述DSP处理器的PWM端口经过IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的输入端；所述外围电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG接口电路、DSP复位电路；所述电平转换电路将电源电压转换为DSP处理器供电的工作电压；所述Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，所述DSP晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP的X1接口和X2接口；所述JTAG接口电路的引脚1、2、3、7、9、11、13、14分别接DSP的引脚79、78、76、77、87、87、85、86；所述复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中1脚接DSP的80脚；

所述检测电路模块包括电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路和光栅尺；所述电流检测电路的输入端通过所述霍尔传感器连接IPM逆变电路的输出端，电流检测电路的输出端连接所述DSP处理器的电流信号输入端；所述位置速度检测电路的输入端通过所述光栅尺连接永磁直线同步电动机的输出端，位置速度检测电路的输出端连接DSP处理器的位置速度信号输入端；

所述IPM保护隔离驱动电路的输入端与所述DSP处理器的PWM端口相连，输出端与IPM逆变电路的输入端相连；

所述永磁直线同步电动机的输入端与所述IPM逆变电路输出端连接；

所述上位机利用编程语言编写软件控制程序，控制程序首先对检测电路模块采集到的数据进行采样处理，然后通过将采集到的数据和位置参考指令信号做差得到永磁直线同步电动机的跟踪误差，并建立滤波误差向量作为自适应加加速度控制器的输入变量，执行自适应加加速度控制算法，最后将以自适应加加速度控制算法为核心的软件程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，驱动伺服系统运行；

一种提高永磁直线同步电动机鲁棒跟踪控制精度的方法，通过前述提高永磁直线同步电动机鲁棒跟踪控制精度的装置实现，包括以下步骤：

步骤1：输入永磁直线同步电动机的参考位置信号，永磁直线同步电动机接收到位置信号开始运动；

步骤2：永磁直线同步电动机运动后，检测电路工作，光栅尺经位置速度检测电路输出正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号；脉冲信号均送至DSP的正交编码脉冲输入单元EQEP，通过四倍频处理来提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数得到动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，从而得出动子的位置和速度；利用霍尔传感器采集动子电流，利用霍尔传感器采集动子电流，确定永磁直线同步电动机动子的实际位置、速度及电流；

步骤3：利用采集到的电动机动子的位置速度以及电流，在DSP处理器中计算出滤波误差向量，利用模型前馈控制补偿系统的参数不确定性，然后采用自适应加加速度控制器抑制系统的外部扰动、端部效应、非线性摩擦力，接着通过指数型自适应律，使鲁棒增益收敛于有界范围内，提高系统的鲁棒性，自适应加加速度控制器的输出信号积分后形成系统的反馈控制律，保证了系统的连续性和稳定性，将前馈控制律与反馈控制律相结合，最终计算得出电机的控制信号，即永磁直线同步电动机的控制电流；

步骤3.1：建立永磁直线同步电动机的电磁推力方程及机械运动方程；

建立d-q轴模型：对于永磁直线同步电动机，采用磁场定向控制，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90°电角度为q轴，构成d-q坐标系；

令电流内环d轴电流分量i_d＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电动机的电磁推力方程为：

式中，F_e为电磁推力；τ为极距；λ_PM为永磁体磁链；i_d、i_q、L_d、L_q分别为d、q轴的电流和电感；采用i_d＝0控制，动子电流与定子电流在空间上正交，电磁推力方程简化为

式中，K_f为电磁推力系数；

永磁直线同步电动机的机械运动方程为

式中，为动子加速度；为动子速度；M为动子总质量；B为粘滞摩擦系数；ΔM、ΔB分别为M与B参数变化的不确定量；F为包括外部扰动、摩擦力、未建模动态的扰动力；

当控制系统的系统参数变化、外部扰动及非线性摩擦力的干扰时，此时的动态方程应为

式中，θ₁＝(M+ΔM)/K_f，θ₂＝(B+ΔB)/K_f，d＝F/K_f，u＝i_q为伺服系统的控制律；

步骤3.2：根据步骤2中检测的实际位置，定义滤波误差向量为

z＝[e₁ e₂ e₃]^T (5)

式中

式中，x_d为参考位置信号，e₁为位置跟踪误差，k₁0，k₂0为反馈增益，引入滤波误差可获得额外的设计自由度，将式(5)代入式(4)得

θ₁(t)e₃＝Y_dθ+S+d-u (7)

式中，为参考位置向量；θ＝[θ₁，θ₂]^T为系统参数向量；S为参考模型与实际模型之间动力学方程的误差：

因此，根据式(7)提出一种二自由度控制结构，永磁直线同步电动机伺服系统的控制律为：

u＝u₁+u₂ (9)

式中，u₁为基于模型的前馈控制律，用于补偿系统参数变化的不确定性，表示为：

其中，为系统参数向量的估计值，u₂为反馈控制律，当系统存在外部扰动、模型不确定性时以确保闭环系统的鲁棒性；

步骤3.3：为保证反馈控制律u₂的连续性，则加加速度控制律是有界的；因此，式(7)求导得：

式中：

采用基于梯度的自适应律对进行更新：

式中，为系统参数估计误差向量，Γ为正常数；由式(14)得到前馈控制律u₁为：

步骤3.4：设计自适应加加速度控制律为：

式中，α₂为正常数；为自适应鲁棒增益，β₂为固定鲁棒增益，并且β₂0；因此反馈控制律u₂为

式中，K_s为正常数，E₀为初始条件产生的误差

E₀＝-(K_s+1)[k₂e₁(0)+e₂(0)] (18)

为避免鲁棒增益过大而产生的高频谐振，设计为

式中，k₃为正常数；令以指数方式收敛至则表示为

式中，*表示卷积运算；

步骤4：DSP处理器产生相应的六路PWM脉冲信号，分别驱动永磁直线同步电动机运行；

通过IPM保护隔离驱动电路将DSP处理器输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流电路后，变为稳定的直流电送至IPM逆变电路，IPM逆变电路根据DSP处理器产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电动机，实现永磁直线同步电动机伺服系统的控制，进而驱动伺服加工系统，实现精密加工。