永磁环形力矩电机的离散二阶滑模控制
孙宜标,魏秋瑾,王成元,夏加宽
(沈阳工业大学电气工程学院,沈阳 110023)
摘要:针对高精度五轴联动数控机床中主轴头复合A/C轴直接驱动永磁环形力矩电机伺服系统易受负载扰动和参数变化影响的特点,采用离散二阶滑模设计了位置控制器。控制律采用二阶滑模预设收敛律算法,二阶滑模将不连续控制作用于变量的高阶微分上,理论上可消除抖振。理论分析与仿真结果表明,所采用的控制策略使伺服系统具有很强的位置跟踪性能,而且对负载干扰和参数变化等不确定性具有很强的鲁棒性,同时削弱了抖振。
关键词:复合A/C轴;永磁环形力矩电机;离散二阶滑模;抖振
中图分类号:TM383. 42;TP273 文献标识码:A
引言
采用直接驱动技术的复合A/C轴永磁环形力矩电机伺服系统,克服了传统驱动方式(旋转伺服电机加齿轮、蜗杆齿轮副)运动响应慢、动态刚度差及摩擦和间隙误差[1]等缺点,具有推力大、定位准确、动态响应速度及加速度高等特点。但是由于直接驱动负载,负载的变化将毫无衰减地直接反映在电机的转子上,使系统易受负载扰动及参数变化等不确定性的影响[2],因此对所设计的控制器能否保证系统的稳定性和抗干扰性能提出了更高的要求。
滑模变结构控制由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得其控制具有快速响应,对参数变化及扰动不灵敏,无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。随着计算机控制技术的广泛应用,对离散系统滑模变结构控制的研究与设计就显得更为重要[3]。
但是高频切换在扰动和模型参数摄动的作用下会引起所谓的“抖振”现象,这是滑模技术实现的严重障碍[4]。而在离散变结构控制中不能产生理想的等效滑模控制,只能产生准滑模控制,因此,抖振和稳态精度问题的研究就更为突出[5-6]。在二阶滑模控制方法中,符号函数并不作用在一阶时间微分上,而是作用在其二阶时间微分上,因此在保留传统滑模主要优点(鲁棒性、简单、有限时间收敛)的同时,削弱了抖振现象[7]。
本文针对直接驱动复合A/C轴永磁环形力矩电机伺服系统易受负载扰动和参数变化影响的特点,采用二阶滑模预设收敛律算法[8]设计离散滑模控制器。仿真结果表明,所设计的控制器使系统对参数不确定性和负载扰动具有较强的鲁棒性,实现了对位置输入信号的快速跟踪,且有效地抑制了抖振。
1 永磁环形力矩电机结构及数学模型
永磁环形力矩电机是一种特殊的三相永磁同步电动机,图1为复合A/C轴和外转子永磁环形力矩电机的结构示意图。可以看出,其直径/长度比很大,转子呈薄环状,保证了低惯量,极数多,外转子上可安排大量的永磁体,可提供高转矩。
4 结论
由于直接驱动技术取消了传统驱动方式的中间机械传动环节,采用直接驱动技术的伺服系统易受自身参数变化及外部扰动等不确定性因素的影响。本文针对直接驱动复合A/C轴永磁环形力矩电机伺服系统,采用二阶滑模预设收敛律算法设计了一个位置离散滑模控制器。仿真结果表明,所设计的控制器使永磁环形力矩电机伺服系统具有较好的位置跟踪能力,而且可以保证系统对内部参数变化和外部扰动等不确定性具有很强的鲁棒性,同时大大削弱了抖振现象。
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