新型直線磁阻電機(jī)的自抗擾控制

潘劍飛，曹廣忠，王鑫

(深圳大學(xué)，廣東深圳518060)

    摘要：敘述了直線磁阻電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及自抗擾控制(AI)RC)技術(shù)的應(yīng)用。直線磁阻電機(jī)具有制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，自抗擾控制器具有適應(yīng)內(nèi)部以及外部干擾，實(shí)時(shí)調(diào)整和魯棒陛強(qiáng)的特點(diǎn)。論述了采用自抗擾技術(shù)對(duì)直線磁阻電機(jī)的速度調(diào)節(jié)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，自抗擾控制器比PID控制器具有在各種干擾作用下抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好等特點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；直線磁阻電機(jī)；自抗擾控制

    中圖分類號(hào)：TM352；TM359．4  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004—7018(2008)08—0001—04

0引言   

    隨著電力電子技術(shù)和****控制技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)須引入任何機(jī)械傳輸部件，直接可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。此類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以避免回差、遲滯等一系列機(jī)械方面的問(wèn)題，避免經(jīng)常性的機(jī)械調(diào)整和維修工作。總之，直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、高速度輸出等特點(diǎn)。

    直線磁阻電機(jī)屬于直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的范疇。與其他直接驅(qū)動(dòng)式電機(jī)相比(直線永磁式電機(jī)或者直線感應(yīng)式電機(jī))，直線磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，而且不包含任何復(fù)雜或昂貴的部件如永磁體等。電機(jī)整體只包含硅鋼片疊片和線圈等機(jī)械部件。該電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)[1]中有所介紹。

    本文著重介紹一種改進(jìn)型的電機(jī)結(jié)構(gòu)，并且將一種新型的控制方法應(yīng)用到該電機(jī)的速度調(diào)節(jié)中。

1電機(jī)結(jié)構(gòu)

該直線磁阻電機(jī)包含一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，一組直線導(dǎo)軌，疊片式的硅鋼片固定在定子基座內(nèi)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和定子基座的材料都是金屬鋁，降低動(dòng)子和定子基座的質(zhì)量。疊片結(jié)構(gòu)是由0．5 mm厚的硅鋼片構(gòu)成，動(dòng)、定子分別疊加50片。表1為電機(jī)機(jī)械和電氣參數(shù)。

    電機(jī)包含三個(gè)線圈。每個(gè)線圈都是經(jīng)螺絲固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上；每個(gè)線圈相差120^。的電氣角度。該結(jié)構(gòu)可以使得各個(gè)相之間的互感達(dá)到最小^[2]。為了保證較大水平力的輸出，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和定子齒之間的空氣隙固定在0.2mm。由于通電后動(dòng)定子之間的吸引力很大，為使得運(yùn)動(dòng)期間的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，每隔一定距離，硅鋼片疊片都被鉚釘鎖緊；定子的硅鋼片被夾桿固定在定子基座上。圖1為直線磁阻電機(jī)的整體構(gòu)造圖。

      與早期在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造的直線電機(jī)相比^[1]，由于該電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)使空氣隙更加穩(wěn)固，故電機(jī)的機(jī)械魯棒性強(qiáng)；在相同電流輸入下，電機(jī)具有較大的水平驅(qū)動(dòng)力輸出。

    為了實(shí)現(xiàn)****化的速度調(diào)節(jié)，本文采用自抗擾技術(shù)對(duì)速度參數(shù)進(jìn)行控制。自抗擾算法的****優(yōu)點(diǎn)是它不依賴詳細(xì)的電機(jī)數(shù)學(xué)模型信息；相對(duì)PID算法，它不受模型內(nèi)在或外界的干擾影響。仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了該方法可以使直線磁阻電機(jī)更適合于工作在具有各種干擾的環(huán)境下。

2自抗擾控制器的設(shè)計(jì)

    自抗擾控制器由微分跟蹤器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(EsO)和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(NLSEF)組成，如圖2所示。微分跟蹤器提供對(duì)輸入信號(hào)的快速無(wú)超調(diào)的跟蹤，并為參考輸入提供各階導(dǎo)數(shù)信號(hào)；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器用來(lái)估計(jì)對(duì)象各階狀態(tài)變量和對(duì)象總擾動(dòng)的實(shí)時(shí)作用量；非線性狀態(tài)控制律接收來(lái)自擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的輸出控制量并對(duì)反饋回來(lái)的的誤差生成擾動(dòng)補(bǔ)償控制量。

2．1微分跟蹤器(TD)

    在電機(jī)控制系統(tǒng)中，微分信號(hào)(如速度)一般是由給定輸出信號(hào)(位置)通過(guò)反向差分等方法得到，這種方法使得計(jì)算出的信號(hào)含有很多噪聲而且信號(hào)不容易精確提取^[4]。微分跟蹤器可以有效計(jì)算并提取微分信號(hào)^[5]。典型的微分跟蹤器將輸入信號(hào)以兩種形式輸出：輸入的暫態(tài)安排以及輸入信號(hào)的一階微分。一階微分跟蹤器有如下結(jié)構(gòu)：

式中：v為參考輸入信號(hào)，v₁為跟蹤信號(hào)，r、α₀和δ₀為需要調(diào)節(jié)的參數(shù)。其中fal函數(shù)的表達(dá)