1 引言

交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、大規(guī)模集成電路、載人宇宙飛船等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用都日益廣泛，己遍布軍事、冶金、電力、鐵路、運(yùn)輸、化工、民用等各個領(lǐng)域。在交流伺服系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的日益提高成為了交流伺服系統(tǒng)不斷發(fā)展的兩大原動力。目前的交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快動態(tài)響應(yīng)等良好的技術(shù)性能，伺服驅(qū)動領(lǐng)域即將進(jìn)入交流伺服時代。交流伺服系統(tǒng)具有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)的結(jié)構(gòu)形式。速度環(huán)增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，抑制速度波動，位置環(huán)保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和跟蹤性能。速度環(huán)和位置環(huán)又稱為機(jī)械環(huán)，針對這三個環(huán)節(jié)，主要采用的控制策略有：(1)矢量控制，當(dāng)前高性能的伺服系統(tǒng)主要采用空間矢量脈寬調(diào)制方式通過控制電流來控制扭矩;(2)直接轉(zhuǎn)矩控制，直接轉(zhuǎn)矩控制理論在異步電動機(jī)方面研究較多，近年來研究者也將直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用到永磁同步電機(jī)上。最近幾年，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、專家控制、復(fù)合控制等許多新型控制理論也逐漸被應(yīng)用到了電機(jī)控制領(lǐng)域中。

本文以永磁直線同步電機(jī)為控制對象，利用矢量控制理論，推導(dǎo)永磁直線同步電機(jī)d、q軸解耦方程，構(gòu)造機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器，在傳統(tǒng)的機(jī)械環(huán)上加入狀態(tài)觀測器進(jìn)行仿真，證明機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證位置控制精度。

2 PMLSM解耦控制理論

忽略端部效應(yīng)，對于表面粘貼式永磁直線同步電機(jī)d，q軸電感相等，根據(jù)永磁直線同步電機(jī)矢量控制理論，可以得出式(1)的d、q軸電流狀態(tài)方程為

根據(jù)式(1)-式(3)可得如圖1所示的d-q坐標(biāo)系下的永磁直線同步電機(jī)控制框圖。

3 基于狀態(tài)觀測器的機(jī)械環(huán)控制

對于永磁直線同步電機(jī)位置控制來說，在電流環(huán)性能穩(wěn)定的條件下，機(jī)械環(huán)作為外環(huán)將直接影響永磁直線同步電機(jī)的最終控制效果。機(jī)械環(huán)作為外環(huán)包括速度環(huán)和位置環(huán)，目前機(jī)械環(huán)控制中位置環(huán)主要采用比例增益P控制，速度環(huán)采用比例積分PI控制，具體控制結(jié)構(gòu)框圖如圖(3)所示。其中，ASR為速度環(huán)調(diào)節(jié)器，當(dāng)采用比例積分PI控制時ASR為

為提高機(jī)械環(huán)的抗干擾性能，從而實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，本文構(gòu)造機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器。在離散狀態(tài)下，一個控制周期內(nèi)的加速度變化很小，因此可以忽略。則動子在一個周期內(nèi)的相對位移可以表示為

根據(jù)式(16)的遞推公式，可以實(shí)現(xiàn)離散狀態(tài)下的機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器控制程序。修正系數(shù)的選擇則可以根據(jù)特征多項(xiàng)式的極點(diǎn)配置來確定。

在機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器中存在位移、速度、負(fù)載力三個狀態(tài)變量，位移與負(fù)載力的變化相對緩慢，因此主要考慮的是速度觀測誤差的收斂速度。因此在極點(diǎn)選取時，要使速度觀測誤差收斂得比速度響應(yīng)更快，即觀測極點(diǎn)比速度閉環(huán)極點(diǎn)快些，但過快的觀測極點(diǎn)選取會使得系統(tǒng)噪聲放大，引起觀測誤差。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了永磁直線同步電機(jī)機(jī)械環(huán)傳遞函數(shù)，推導(dǎo)了機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器及機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器的離散遞推方程，并在傳統(tǒng)的機(jī)械環(huán)上不加狀態(tài)觀測器和加入狀態(tài)觀測器進(jìn)行仿真分析，結(jié)果證明了引入機(jī)械環(huán)狀態(tài)觀測器跟蹤性能較好，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證了直線交流伺服系統(tǒng)位置控制精度。