基于滑模观测器的永磁直线同步伺服系统
曹勇1,2,刘刚1,李华德1
(1.北京科技大学信息工程学院,北京100083;2.辽宁工业大学信息科学与工程学院,辽宁省锦州121001)
摘要:针对永磁直线同步电机伺服系统,提出滑模速度观测器和P-IP位置控制策略,来实现参考位置信号的跟踪控制。详细分析了滑模速度观测器的模型结构,给出观测器增益值的确定方法和速度观测算法。
详细分析了P-IP控制器的结构和参数确定方法。采用高性能DS1103控制器作为控制核心,搭建永磁直线伺服系统。实验结果表明,滑模观测器能够准确观测动子直线速度和位置,所提出的位置控制系统具有准确的跟踪能力,对外部扰动具有很强的鲁棒性。
关键词:滑模观测器;永磁直线同步电机;P-IP控制器;伺服系统
中图分类号:TM341 文献标识码:A
永磁直线同步电机(PMLSM)构成的直线伺服系统,不仅具有较小的摩擦力和较大的直线推力,而且能够实现较长距离的位置控制且快速、精度高,因此该系统在高性能直线位置伺服系统中显示出更强的优越性。目前一般采用扩展电动势[1]、状态观测器[2]、卡尔曼滤波器[3]和滑模变结构[4~6]等方法实现伺服系统的无速度传感器控制,而且无速度传感器控制方法多集中在感应电机和永磁旋转电机系统中。
本文详细分析了PMLSM滑模速度观测器及P-IP位置控制器下的伺服驱动系统,给出观测器增益值及P-IP控制器的参数确定方法。
实验结果表明该方法具有很好的信号估计能力,并且系统具有很好的鲁棒性。
1 PMLSM数学模型
对于无速度传感器控制下的PMLSM伺服驱动系统,为了方便使用滑模观测器估计动子速度和位置信息,这里采用静止坐标系α β下的PMLSM数学模型。
图3中采用DS1103控制器板搭建,其中主处理器单元采用PowerPC604e,从处理器单元采用TMS320F240。以专用智能功率模块PS11014实现IGBT器件的驱动和保护。PMLSM驱动的所有系统控制都在DS1103控制器板内部执行。在线电流和电压通过3/2变换电路板及低通滤波器消除高频谐波,然后送入DS1103的ADC单元中,以进行滑模观测器估计。
实验用PMLSM参数为:初级绕组相电阻Rs=2.4Ω,相电感Ls=18.5 mH,动子重量M=0.65kg,永磁体磁链幅值Ψpm=0.286V•s,极对数pn= 4,极距τ=0.3m。
实验中要求直线电机以0.5s为周期,在0~0.2m直线范围内做往复运动。图4~图6分别为PMLSM的推力、直线速度和位置响应实验曲线。从实验曲线上可以得出,直线电机的最大推力值可以达到1 200 N,在大约0.05 s时,动子直线速度达到最大值5 m/s,随后动子速度开始下降,直到为0。大约经过0.1 s的过渡时间,直线电机能够到达0.2 m的直线位置,反向往复运动的响应时间和状态与其相同。该过程充分说明滑模观测器具有很好的信号估计能力,直线速度和位置观测准确。
下面实验要求直线电机跟踪0.2m的参考位置,检验位置伺服系统的抗扰动能力。电机动子经过大约0.1s的时间到达0.2m参考位置,之后于0.3s时刻,突加1 000 N反向推力,检验伺服系统的抗扰动能力,图7和8分别为受扰状态下的PMLSM位置和推力响应曲线。由于系统在大约0.1s的时间内已经达到0.2m的参考位置,因此在0.3s时刻突加反向推力时,直线位置稍有减小。此时从图8推力响应曲线中可以看出,电机的电磁推力迅速增大,因此伺服系统在很短的时间(大约0.05 s)内恢复到0.2 m的参考位置。
该过程充分说明P IP位置控制器具有很好的抗扰动能力,伺服系统具有很好的鲁棒性。
5 结论
针对无速度传感器下的永磁直线同步电机伺服系统,采用滑模观测器能够准确观测电机直线速度和位置。P IP(位置速度)控制器具有很小的超调量,直线伺服系统获得优良的调节性能及零稳态误差,同时系统具有很强的鲁棒性。采用DS1103控制器板、智能功率模块等外围器件可以完整地搭建无速度传感器永磁直线同步电机实验平台,该结构能够很好地实现电机的各种控制算法。
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