[发明专利]一种动圈式直线电机滑模-自抗扰控制方法

权利要求书

1.一种动圈式直线电机滑模-自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立动圈式直线电机动力学模型；

步骤2、设计内电流环PI控制器；

步骤3、设计外位移环模态选择方法，远离目标位移点时采用滑模控制，接近目标位移点时采用自抗扰控制；

步骤4、设计滑模面、趋近律以及滑模控制器；

步骤5、设计包括最速跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制律的自抗扰控制器。

2.根据权利要求1所述的一种动圈式直线电机滑模-自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤1建立动圈式直线电机动力学模型的状态方程：

（1）

式中，U为电源电压；R为线圈的电阻；L为线圈产生的电感；i为通过线圈的电流；v为动子的运动速度；K_e为反电动势系数；K_m为电磁力系数；m为电机动子的质量；x为动子的位移；F_laod为动子运动过程中所受到的负载；c为阻尼系数。

3.根据权利要求1所述的一种动圈式直线电机滑模-自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤2设计的典型PI控制器，使电流环稳态无静差、动态无超调，电流环PI控制器的离散方程为：

（2）。

4.根据权利要求1所述的一种动圈式直线电机滑模-自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤3设计位移环模态选择方法：依据被控系统的运动目标轨迹预先选择相轨迹（滑模面），当被控电机的动子位置远离滑模控制设定的滑模面时，在快速趋近滑模面运动时采用滑模控制；当被控电机运动轨迹到达滑模控制设定滑模面时，通过预先设定的切换开关模块实现不同控制器的切换选择，切换为自抗扰控制器实现对目标位移的无超调跟踪，消除传统滑模控制引起的高频抖振。

5.根据权利要求1所述的一种动圈式直线电机滑模-自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤4设计的滑模面、趋近律以及滑模控制器：

选择滑动面，如下式：

（3）

式中，y_t为控制系统的输入；y为被控电机的实际位移；

指数趋近律取如下形式：

（4）

式中，为符号函数；，都大于零；

滑模控制器的设计依据式子滑动面与指数趋近律可得：

（5）

式中，，，为控制器的3个控制参数。

6.根据权利要求1所述的一种动圈式直线电机滑模-自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤5在设计自抗扰控制器时可把动圈式直线电机模型简化为二阶系统，其数学模型的状态方程为：

（6）

式中，x₁为动子端位移；x₂为动子端速度；u为控制量；f(x,y)为系统内外扰动总和；

根据简化的二阶系统对最速跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制律进行设计，其中最速跟踪微分器离散形式可表示为：

（7）

式中：h为积分步长（或称采样周期），r，h₀为跟踪微分器参数，最速控制综合函数为，其算法如下：

（8）

式中，r为速度因子；h₀为滤波因子；

把总扰动扩张成新的状态变量x₃同时令，控制量，则可将二阶系统模型扩张成积分串联型系统：

（9）

针对上述串联型系统系统模型，所述三阶扩张状态观测器可设计为：

（10）

式中，h为积分步长；k为第k个采样时刻；为位置反馈的跟踪信号和其微分；e为观测的误差；幂次函数的表达式为：

（11）

所述非线性状态误差反馈控制律为：

（12）。