基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的制作方法

本发明涉及一种基于直线永磁电动机的位置伺服控制方法，尤其是一种高性能直接驱动位置伺服系统及方法。

背景技术：

永磁直线同步电机更是具有功率密度高、推力-体积比高、动态性能良好等优点，能够实现直接高速驱动，避免了间接机械传动装置传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高速、高精度移动性能并具有极好的稳态和动态性能，非常适用于直线直驱式系统。随着智能装备制造和自动控制技术的发展，具有响应快、精确度高、过载能力高等优点的基于直线永磁同步电机的位置伺服系统作为执行部件逐渐被广泛应用于工业生产中的直接驱动设备上，如数控机床，半导体生产、机器人、xy平台驱动等领域。对于高速高精度直线位置伺服系统而言，高性能高响应的控制方法是关键技术之一。

高性能位置伺服系统对系统位置响应的动态性能要求很高，传统位置伺服由位置闭环作为外环、速度闭环作为中间环、电流闭环作为内环的三闭环组成，速度闭环作为控制结构中的串联环节降低了系统位置调节的动态响应性能，且提高了整个系统的阶数，增加了系统的调试难度。采用去掉速度闭环环节的两环位置伺服，由于少了速度闭环这个大惯性延迟环节，对位置命令变化的反应速度更快，动态性能更好，适合于永磁直线伺服电机的直驱式位置控制。采用两环系统后，位置控制器的输出就是电流环的给定量，伺服系统的性能会受到电参数和外部扰动的影响，本发明将高阶滑模算法引入到两环系统的位置控制器中，其中设计的滑模控制器对电参数变化不敏感，且能够抑制负载扰动。高阶滑模控制算法是传统滑模的扩展，不是将不连续函数作用与滑模量的一阶导数上，而是作用于滑模量的二阶导数上，可以显削弱抖动现象，具有算法简单、鲁棒性强且容易实现的特点。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统：包括滑模控制器、谐振抑制模块、陷波滤波器、低通滤波器、电流环pi控制器、park变换模块、空间矢量控制模块、逆变器、clark变换模块、park逆变换模块和带有位置光栅尺的直线电机；

通过上位系统将给定位置指令p^*发送给谐振抑制模块和第一减法器；

直线电机通过位置光栅尺输出pb信号到第一减法器；直线电机输出两相定子电流ia和ib到clark变换模块；

谐振抑制模块根据给定位置指令p^*；运算得到平滑后的指令位置pf，并将平滑后的指令位置pf发送到第二减法器；

第一减法器根据给定位置指令p^*和pb信号，运算得到误差信号p^*-pb，并将误差信号p^*-pb发送给第二减法器；第一减法器的运算方法为给定位置指令p^*减去pb信号；

第二减法器根据误差信号p^*-pb和平滑后的指令位置pf，运算得到位置误差信号σ，并将位置误差信号σ发送给滑模控制器；第二减法器的运算方法为误差信号p^*-pb减去指令位置pf；

滑模控制器根据位置误差信号σ，运算得到输出im，并将输出im发送给低通滤波器；

低通滤波器根据滑模控制器的输出im，经滤波得到滤波后信号im^*，并将滤波后信号im^*发送给陷波滤波器；

陷波滤波器根据滤波后信号im^*，运算得到交轴电流给定值iq^*，并将交轴电流给定值iq^*发送给第三减法器；

clark变换模块根据两相定子电流ia和ib，运算得到变换后定子电流iα和iβ，并将变换后定子电流iα和iβ发送给park逆变换模块；

park逆变换模块根据变换后定子电流iα和iβ，运算得到交轴电流反馈值iq和直轴电流反馈值id，并将交轴电流反馈值iq发送给第三减法器，将直轴电流反馈值id发送给第四减法器；

第三减法器根据交轴电流给定值iq^*和交轴电流反馈值iq，经运算得到交轴电流误差值iq^*-iq，并将交轴电流误差值发送给电流环pi控制器；第三减法器的运算方法为交轴电流给定值iq^*减去交轴电流反馈值iq；

通过上位系统将直轴电流给定值id^*发送给第四减法器；

第四减法器根据直轴电流给定值id^*和直轴电流反馈值id，经运算得到直轴电流误差值id^*-id，并将直轴电流误差值id^*-id发送给电流环pi控制器；第四减法器的运算方法为直轴电流给定值id^*减去直轴电流反馈值id；

电流环pi控制器根据交轴电流误差值iq^*-iq和直轴电流误差值id^*-id，运算得到交轴电流uq和直轴直压ud，并将交轴电流uq和直轴直压ud发送给park变换模块；

park变换模块根据交轴电流uq和直轴直压ud，运算得到两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，并将两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ发送给空间矢量控制模块；

空间矢量控制模块根据两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，经运算得到六路pwm信号，并将六路pwm信号发送给逆变器；通过逆变器驱动直线电机运行。

作为对本发明基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的改进：

谐振抑制模块的传递函数为：

式中：kf为推力常数，m为直线电机的动子和负载总质量，ω0n是谐振抑制模块的带宽，ξ0为阻尼比；

作为对本发明基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的进一步改进：

滑模控制器包括第五减法器、第一符号函数模块、第一乘法器、第一积分函数模块、第一绝对值开方函数模块、第三乘法器、第一加法器、第二积分函数模块、第二绝对值开方函数模块、第二乘法器、第二符号函数模块、第一绝对值函数模块，第四乘法器、第五乘法器、第二加法器、第六乘法器和第三符号函数模块；

第二减法器将位置误差信号σ发送给第五减法器；

第五减法器根据位置误差信号σ和第二积分函数模块输出的位置误差信号的估计值z0，运算得到偏差信号z0-σ，并将偏差信号z0-σ分别发送给第一符号函数模块和第一绝对值开方函数模块；

第一符号函数模块根据偏差信号z0-σ，运算得到sign(z0-σ)，并将sign(z0-σ)发送到第一乘法器和第二乘法器；

第一乘法器根据sign(z0-σ)，运算得到误差信号的一阶导数的估计值并将误差信号的一阶导数的估计值发送给第一积分函数模块；

第一积分函数模块根据误差信号的一阶导数的估计值积分运算得到位置误差信号估计值z1，并将位置误差信号估计值z1发送给第一加法器；

第一绝对值开方函数模块根据偏差信号z0-σ，运算得到并将发送到第二乘法器；

第二乘法器根据和sign(z0-σ)，运算得到并将发送给第三乘法器；

第三乘法器根据运算得到z2，并将z2发送给第一加法器；

第一加法器根据z1和z2，运算得到导数并将导数发送到第二积分函数模块；

第二积分函数模块根据导数积分运算得到位置误差信号的估计值z0，并将位置误差信号的估计值z0发送给第五减法器；

λ1＝1.2，λ2＝1.7，l满足约束条件为动子最大加速度；

第二积分函数模块还发送位置误差信号的估计值z0到第二绝对值开方函数模块和绝对值函数模块；

绝对值函数模块根据位置误差信号的估计值z0，运算得到|z0|，并将|z0|发送给第二符号函数模块；

第二绝对值开方函数模块根据z0，运算得到并将发送给第四乘法器；

第二符号函数模块根据|z0|，运算得到sign(|z0|)，并将sign(|z0|)发送给第四乘法器；

第四乘法器根据和sign(|z0|)，运算得到并将发送到第五乘法器；

第五乘法器根据运算得到并将发送给第二加法器；

第一乘法器还发送一阶导数的估计值到第二加法器；

第二加法器根据和一阶导数的估计值运算得到滑模量并将滑模量发送给第三符号函数模块；

第三符号函数模块根据滑模量运算得到并将发送给第六乘法器；

第六乘法器根据运算得到滑模控制器的输出im；

式中：im为滑模控制器的输出，α为大于0的常数，且u1满足约束条件

作为对本发明基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的进一步改进：

低通滤波器的运算方法为：

式中：τ为滤波器时间常数。

作为对本发明基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的进一步改进：

陷波滤波器的运算方法为：

式中：ω2n为陷波频率，ξ2为阻尼比。

作为对本发明基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的进一步改进：

第一符号函数模块、第二符号函数模块和第三符号函数模块的定义为：

由于去掉了速度闭环这个大惯性延迟环节，本发明介绍直线伺服系统如下优点：

1、用位置-电流双环控制结构代替传统三环控制结构，能够提高系统的响应速度，并具有较好的动态性能。采用了高阶滑模控制器能够明显削弱抖振现象并保证滑模控制的精度，且能进一步提升系统的动态特性和鲁棒性能。

2、谐振抑制算法可以平滑运算所得的指令位置，抑制指令噪声和减少加速度突变对负荷造成的震动，并减少追踪误差；最大程度降低过冲和整定时间。

3、陷波滤波器于滤除负载弹性联接产生共振干扰信号和解码器共振干扰信号。低通滤波器进一步滤除滑模算法产生的高频干扰信号。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的结构框图；

图2是图1中滑模控制器4的滑模面算法结构框图；

图3是图1中滑模函数器4的滑模函数结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统，如图1-3所示，包括滑模控制器4、谐振抑制模块1、陷波滤波器6、低通滤波器5、电流环pi控制器8、park变换模块9、空间矢量控制模块10、逆变器11、clark变换模块13、park逆变换模块14和带有位置光栅尺16的直线电机12。

通过上位系统将给定位置指令p^*发送给谐振抑制模块1和第一减法器2；

直线电机12通过位置光栅尺16输出pb信号到第一减法器2；直线电机12输出两相定子电流ia和ib到clark变换模块13；

谐振抑制模块1根据给定位置指令p^*，运算得到平滑后的指令位置pf，并将平滑后的指令位置pf发送到第二减法器3；

第一减法器2根据给定位置指令p^*和pb信号，运算得到误差信号p^*-pb，并将误差信号p^*-pb发送给第二减法器3；第一减法器2的运算方法为给定位置指令p^*减去pb信号；

第二减法器3根据误差信号p^*-pb和平滑后的指令位置pf，运算得到位置误差信号σ，并将位置误差信号σ发送给滑模控制器4；第二减法器3的运算方法为误差信号p^*-pb减去指令位置pf；

滑模控制器4根据位置误差信号σ，运算得到输出im，并将输出im发送给低通滤波器5；

低通滤波器5根据滑模控制器4的输出im，经滤波得到滤波后信号im^*，并将滤波后信号im^*发送给陷波滤波器6；

陷波滤波器6根据滤波后信号im^*，运算得到交轴电流给定值iq^*，并将交轴电流给定值iq^*发送给第三减法器7；

clark变换模块13根据两相定子电流ia和ib，运算得到变换后定子电流iα和iβ，并将变换后定子电流iα和iβ发送给park逆变换模块14；

park逆变换模块14根据变换后定子电流iα和iβ，运算得到交轴电流反馈值iq和直轴电流反馈值id，并将交轴电流反馈值iq发送给第三减法器7，将直轴电流反馈值id发送给第四减法器15；

第三减法器7根据交轴电流给定值iq^*和交轴电流反馈值iq，经运算得到交轴电流误差值iq^*-iq，并将交轴电流误差值发送给电流环pi控制器8；第三减法器7的运算方法为交轴电流给定值iq^*减去交轴电流反馈值iq；

通过上位系统将直轴电流给定值id^*(id^*＝0)发送给第四减法器15；

第四减法器15根据直轴电流给定值id^*＝0和直轴电流反馈值id，经运算得到直轴电流误差值id^*-id，并将直轴电流误差值id^*-id发送给电流环pi控制器8；第四减法器15的运算方法为直轴电流给定值id^*＝0减去直轴电流反馈值id；

电流环pi控制器8根据交轴电流误差值iq^*-iq和直轴电流误差值id^*-id，运算得到交轴电流uq和直轴直压ud，并将交轴电流uq和直轴直压ud发送给park变换模块9；

park变换模块9根据交轴电流uq和直轴直压ud，运算得到两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，并将两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ发送给空间矢量控制模块10；

空间矢量控制模块10根据两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，经运算得到六路pwm信号，并将六路pwm信号发送给逆变器11；通过逆变器11驱动直线电机12运行。

其中谐振抑制模块1采用二阶低通滤波器，其传递函数为：

式中：kf为推力常数，m为直线电机12的动子和负载总质量，ω0n是谐振抑制模块1的带宽，可根据系统的设计要求调整，ξ0为可调整的阻尼比，根据电机负载及惯量进行调整，一般取0.5至0.7，s是拉普拉斯函数算子；

滑模控制器4的运算方法为：

滑模控制器4包括第五减法器17、第一符号函数模块18、第一乘法器19、第一积分函数模块20、第一绝对值开方函数模块21、第三乘法器22、第一加法器23、第二积分函数模块24、第二绝对值开方函数模块25、第二乘法器32、第二符号函数模块26、第一绝对值函数模块33，第四乘法器27、第五乘法器28、第二加法器29、第六乘法器30和第三符号函数模块31。

第二减法器3将位置误差信号σ发送给第五减法器17；

第五减法器17根据位置误差信号σ和第二积分函数模块24输出的位置误差信号的估计值z0，运算得到偏差信号z0-σ(位置误差信号的估计值z0减去误差信号σ)，并将偏差信号z0-σ分别发送给第一符号函数模块18和第一绝对值开方函数模块21；

第一符号函数模块18根据偏差信号z0-σ，运算得到sign(z0-σ)，并将sign(z0-σ)发送到第一乘法器19和第二乘法器32；第一符号函数模块18的运算方法为将偏差信号z0-σ引入sign()中；

第一乘法器19根据sign(z0-σ)，运算得到误差信号的一阶导数的估计值并将误差信号的一阶导数的估计值发送给第一积分函数模块20；第一乘法器19的运算方法为将sign(z0-σ)与相乘；

第一积分函数模块20根据误差信号的一阶导数的估计值积分运算得到位置误差信号估计值z1，并将位置误差信号估计值z1发送给第一加法器23；

第一绝对值开方函数模块21根据偏差信号z0-σ，运算得到并将发送到第二乘法器32；第一绝对值开方函数模块21的运算方法为将偏差信号z0-σ引入中；

第二乘法器32根据和sign(z0-σ)，运算得到并将发送给第三乘法器22；第二乘法器32的运算方法为和sign(z0-σ)相乘；

第三乘法器22根据运算得到z2，并将z2发送给第一加法器23；第三乘法器22的运算方法为与相乘；

第一加法器23根据z1和z2，运算得到导数并将导数发送到第二积分函数模块24；第一加法器23的运算方法为z1和z2相加；

第二积分函数模块24根据导数积分运算得到位置误差信号的估计值z0，并将位置误差信号的估计值z0发送给第五减法器17。

完整的滑模控制器4的滑模面算法如下式所示：

式中λ1＝1.2，λ2＝1.7，l满足约束条件对于直线电机12而言，为动子最大加速度，可根据直线电机12的最大推力和动子质量得到；

第一符号函数模块18、第二符号函数模块26和第三符号函数模块31的定义为：

第二积分函数模块24还发送位置误差信号的估计值z0到第二绝对值开方函数模块25和绝对值函数模块33；

绝对值函数模块33根据位置误差信号的估计值z0，运算得到|z0|，并将|z0|发送给第二符号函数模块26；绝对值函数模块33的运算方法为将z0引入|()|中；

第二绝对值开方函数模块25根据z0，运算得到并将发送给第四乘法器27；第二绝对值开方函数模块25的运算方法为将z0引入中；

第二符号函数模块26根据|z0|，运算得到sign(|z0|)，并将sign(|z0|)发送给第四乘法器27；第二符号函数模块26的运算方式为将|z0|引入sign()中；

第四乘法器27根据和sign(|z0|)，运算得到并将发送到第五乘法器28；第四乘法器27的运算方法为将和sign(|z0|)相乘；

第五乘法器28根据运算得到并将发送给第二加法器29；第五乘法器28的运算方法为将与β相乘；

第一乘法器19还发送一阶导数的估计值到第二加法器29；

第二加法器29根据和一阶导数的估计值运算得到滑模量并将滑模量发送给第三符号函数模块31；第二加法器29的运算方法为将和一阶导数的估计值相加；

第三符号函数模块31根据滑模量运算得到并将发送给第六乘法器30；第三符号函数模块31的运算方法为将滑模量引入sign()中；

第六乘法器30根据运算得到滑模控制器4的输出im；第六乘法器30的运算方法为将与-α相乘；

滑模控制器4的输出im的运算方法为：

式中：im为滑模控制器4的输出，α为大于0的常数，且u1满足约束条件根据积分运算可以得到位置误差信号σ。

低通滤波器5的运算方法为：

式中：τ为可调整的滤波器时间常数。

低通滤波器5为一阶低通滤波器5，能滤除滑模算法产生的高频干扰信号。

陷波滤波器6的运算方法为：

式中：ω2n为陷波频率，可根据系统的设计要求调整，ξ2为可调整的阻尼比，一般取0.4-0.7。陷波滤波器6用于滤除负载弹性联接产生共振干扰信号和解码器共振干扰信号，其输出值g2(s)即为交轴电流给定值iq^*。

直线电机12为永磁同步直线电动机，采用id*＝0磁场定向控制方法，直线电机12满足ld＝lq，电磁推力表示为：ld、lq分别为直轴电感和交轴电感；id、iq为旋转坐标系下定子电流矢量；ψf为转子永磁体产生的磁势；τ为电机极距，ld、lq、ψf和τ等都是电机参数。

由此可知，由陷波滤波器6输出的交轴电流给定值iq^*，可实现对直线电机12推力有效的控制，pb信号经由光栅尺16检测得到与给定位置指令p^*比较得到误差信号p^*-pb，该误差信号p^*-pb作为位置环的输入值，电磁推力fe的大小决定动子移动速度，从而实现对直线电机12的动子的控制。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。