永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于数控技术领域，特别涉及一种永磁直线同步电机的自适应二阶终 端滑模控制系统。
【背景技术】
[0002] 数控技术是用数字信对控制对象的机械运动过程进行控制的技术，数控装备是以 数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造产业的渗透形成的机电一体化产品。 现代数控机床与早期的数控机床最根本的区别在于其加工速度和加工精度发生了巨大变 化，分别提高了近千倍。由于高速度、高精度加工技术能极大地提高加工速率、提高产品的 质量和档次、提高市场竞争力，因而，以高速切削、高速进给和高加工精度为主要特征的高 速切削技术已成为现代数控加工技术的重要发展趋势之一。
[0003] 长期以来，数控机床的进给系统主要是"旋转电机+滚珠丝杠"，这种伺服形式结 构复杂，且存在传动间隙及弹性变形等造成运动滞后和其它非线性误差等一系列问题，难 以获得很高的加速度和定位精度。采用PMLSM的直接驱动技术在一定程度上解决了上述问 题，它消除了机械传动机构所带来的不良影响，在高精度、高速响应、微进给伺服系统应用 中具有非常大的优势。但是，由于直线电动机直接驱动负载，系统的参数摄动、负载扰动等 不确定因素将毫无衰减地直接反映到直线电机的动子上，使系统对负载扰动和参数变化都 很敏感，所以要求系统具有较强的鲁棒性，这对直线电机控制器提出了更高的要求。
[0004] 学者们提出了一些控制方法，如采用鲁棒控制理论设计控制器，可使系统具有很 好的鲁棒性，但具有一定的保守性；采用自适应控制理论设计控制器，可以有效克服参数变 化对系统的影响，但在参数变化较快、外部干扰频率高的情况下则效果不佳。采用滑模变结 构控制理论设计控制器，具有鲁棒性强、实现简单的优点，然而由于其控制作用的不连续性 会导致抖振现象。采用终端滑模控制理论设计控制器，改善了系统的收敛特性，但存在奇异 性问题。
【发明内容】
[0005] 发明目的
[0006] 针对现有控制技术中存在的不足，本实用新型提供了一种永磁直线同步电机的自 适应二阶终端滑模控制系统，将二阶滑模控制、终端滑模控制与自适应控制方案相结合，最 终实现本实用新型的目的即实现系统的快速响应，提高系统的鲁棒性。
[0007] 技术方案
[0008] -种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，其特征在于：该系统包 括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检 测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；DSP的QEP端口连接位置和速度 检测电路，DSP的ADC端口连接电流检测电路，DSP的PWM端口和H)PINT端口连接光耦隔离 电路，光耦隔离电路连接驱动电路和故障检测和保护电路，驱动电路连接主电路；主电路包 括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为三相永磁直线同步电机，机身装有 光栅尺；调压电路连接整流滤波单元，整流滤波单元连接IPM逆变单元，IPM逆变单元连接 三相永磁直线同步电机。
[0009] DSP的SCI端口连接上位机，DSP的SPI端口连接显示电路，DSP的GPI0端口连接 I/O接口电路；故障检测和保护电路连接控制电源。
[0010] DSP采用TMS320F28335 处理器。
[0011] 优点及效果
[0012] 本实用新型是一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，具有以下 优点：
[0013] 针对永磁直线同步电机（PMLSM)伺服系统，本实用新型提出一种永磁直线同步电 机的自适应二阶终端滑模控制系统。在设计上解决了原有终端滑模控制存在奇异性的问 题。利用二阶滑模的超螺旋控制律，将系统的不连续控制作用在滑模变量的高阶微分上，从 而削弱了系统抖振。引入自适应控制对超螺旋算法的控制增益进行动态调节，以克服控制 增益需不确定性的界来确定的局限性，进而提高系统的控制性能，最终实现本实用新型的 目的即提高系统的鲁棒性，削弱系统的抖振。
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型自适应二阶终端滑模控制器系统框图。
[0015] 图2为实现本实用新型的硬件控制系统原理图。
[0016] 图3(a)电机控制系统主电路原理图。
[0017] 图3(b)A、B相电流采样电路原理图。
[0018] 图3(c)光栅尺信号采样电路原理图。
[0019] 图3(d)驱动电路原理图。
【具体实施方式】
[0020] 针对永磁直线同步电机（PMLSM)伺服系统易受参数变化和负载扰动等不确定因 素影响，本实用新型提供了一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，将二 阶滑模控制、终端滑模控制与自适应控制方案相结合，根据永磁直线同步电机伺服系统给 定速度信号和反馈速度信号相比较得到误差量，以这个误差量设计终端滑模面，避免奇异 性问题。以二阶滑模控制的超螺旋算法作为速度控制器的输入，并且引入自适应控制对超 螺旋算法的控制增益进行动态调节，最终实现本实用新型的目的即实现系统的快速响应， 提高系统的鲁棒性。
[0021] 下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：
[0022] 图1为永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统的原理框图，其中/为 系统速度的给定值，〇为与系统误差有关的滑模切换面，^为负载阻力，系统跟踪误差为e _ * =V-Vo
[0023] 系统的终端滑模变量为：
[0024] 其中，vGR+，p，q为奇数，要求1 <p/q< 2来满足滑模面的非奇异性。
[0025] 采用自适应控制对超螺旋算法的控制增益0进行调节，从而使系统的滑模变量 〇及其一阶导数在有限时间内收敛为零；
[0026] 具体算法如下：
[0027]
[0028] 超螺旋控制算法使系统状态轨迹在有限时间内收敛到滑模面的充分条件为：
[0029]
[0030] 定义超螺旋算法的控制增益0的自适应律为：
[0031]
[0032]其中，y> 0,k> 0，e> 0。
[0033] 图2为实现本实用新型的硬件控制系统原理图。该系统包括主电路、控制电路和 控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、 驱动