摘要：永磁同步直线电机在服役过程中，有效载荷时变引起的不确定性无疑会导致伺服系统的跟踪精度降低。为此，本文基于时间延时估计思想，提出了一种易实现、收敛快和无模型的位置控制策略。
永磁同步直线电机在服役过程中，有效载荷时变引起的不确定性无疑会导致伺服系统的跟踪精度降低。为此，本文基于时间延时估计思想，提出了一种易实现、收敛快和无模型的位置控制策略。
研究背景
区别于传统旋转电机与滚轴丝杠或齿轮齿条相结合的直线伺服模式，永磁同步直线电机驱动的伺服系统消除了中间机械环节，实现了零传动和高带宽的直线伺服。然而，在实际应用过程中，有效载荷时变引起的不确定性，如惯量失配和非线性摩擦，会导致伺服系统的跟踪精度大大降低。因此，亟须设计一种鲁棒的位置控制器克服上述不确定性，进而实现直线电机伺服系统的高精度位置跟踪。
论文所解决的问题及意义
直线电机是一个多变量和强耦合的非线性系统，通常情况下很难建立其精确的数学模型。然而当前大部分控制策略在提高伺服系统鲁棒性的过程中或多或少都依赖电机的精确模型和参数。为了减小对电机系统模型的依赖，本文建立一种新型的动力学阶次模型，避免原始精确动力学中的复杂非线性项，为位置控制器设计提供了无模型结构，同时结合延时估计技术和非线性误差动力学有效提高了直线电机伺服性能。
论文方法及创新点
本文所提出的无模型位置控制器，主要包括期望的非线性误差动力学、时间延迟扰动估计和非线性阻尼的设计，整体控制框图如图1所示。
图1 基于非线性时间延迟扰动估计的无模型位置控制框图
1）期望的非线性误差动力学：通过引入终端吸引因子sig(e)λ设计了终端滑模类非线性误差动力学，实现了位置跟踪误差的有限时间收敛，提高了系统的动态响应速度。
2）时间延迟扰动估计：假设系统集总扰动是连续或者分段连续的，通过时间延迟技术在线估计有效载荷变化引起的不确定性。相比于传统的扰动观测器，本文提出的延时扰动估计方法不仅不依赖电机的精确模型，还具有等效低通滤波器的效果，减小了控制律中加速项的噪声影响，同时避免了额外的数字滤波器设计。
3）非线性阻尼项：通过符号函数和滑模面设计阻尼项，克服直线电机速度突然反向、传感器测量噪声和有限的采样时间等引起的延时估计误差，驱动闭环误差动力学无限接近所设计的期望动力学。
最后，搭建了基于半实物AD5435的控制实验平台，如图2所示，通过施加不同载荷，验证了所提方法在载荷变化下的位置跟踪性能。
图2 实验平台
结论
针对载荷变化对永磁同步直线电机伺服性能的影响，本文提出了一种基于非线性时间延迟扰动估计的无模型位置控制策略。相比于现有的PD控制和SMC，本文的方法不仅可以保证系统的有限时间收敛，还能有效抑制载荷变化等引起的不确定性。无论是在标称条件还是在不同载荷条件下都表现出更优异的稳态跟踪性能，同时还兼顾更快的动态性能。
团队介绍
王立俊,工学博士，讲师。研究方向为直线电机驱动控制。参与国家自然科学基金重点项目2项，面上1项，发表期刊论文20篇，申请发明专利4项，获得省部级科技一等奖1项。现为TM、TIE、TPE和TTE等国内外高水平期刊的审稿人。
赵吉文,二级教授，博士生导师。安徽省学术与科技带头人，安徽省“特支计划”创新领军人才。主持国家自然科学基金重点项目2项、面上项目3项，省部级项目及企业项目若干项，获得省部科技进步一、二等奖3项，发表论文100余篇，授权国家发明专利20余项。
本工作成果发表在2024年第18期《电工技术学报》，论文标题为“基于非线性时间延迟扰动估计的永磁同步直线电机无模型鲁棒位置跟踪控制“。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。
来源：电气技术