新型直線磁阻電機的自抗擾控制

潘劍飛，曹廣忠，王鑫

(深圳大學，廣東深圳518060)

    摘要：敘述了直線磁阻電機機械結構改進以及自抗擾控制(AI)RC)技術的應用。直線磁阻電機具有制造成本低、結構簡單以及可靠性高等優點，自抗擾控制器具有適應內部以及外部干擾，實時調整和魯棒陛強的特點。論述了采用自抗擾技術對直線磁阻電機的速度調節仿真和實驗結果。仿真和實驗結果均表明，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、魯棒性好等特點。

    關鍵詞：直接驅動系統；直線磁阻電機；自抗擾控制

    中圖分類號：TM352；TM359．4  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)08—0001—04

0引言   

    隨著電力電子技術和****控制技術的發展，人們越來越關注直接驅動系統。該系統無須引入任何機械傳輸部件，直接可以將電能轉化成機械能，實現直線運動。此類運動控制系統可以避免回差、遲滯等一系列機械方面的問題，避免經常性的機械調整和維修工作。總之，直接驅動系統具有控制簡單、響應速度快、高速度輸出等特點。

    直線磁阻電機屬于直接驅動系統的范疇。與其他直接驅動式電機相比(直線永磁式電機或者直線感應式電機)，直線磁阻電機具有結構簡單、可靠性高等特點，而且不包含任何復雜或昂貴的部件如永磁體等。電機整體只包含硅鋼片疊片和線圈等機械部件。該電機的設計結構在文獻[1]中有所介紹。

    本文著重介紹一種改進型的電機結構，并且將一種新型的控制方法應用到該電機的速度調節中。

1電機結構

該直線磁阻電機包含一個運動平臺，一組直線導軌，疊片式的硅鋼片固定在定子基座內。運動平臺和定子基座的材料都是金屬鋁，降低動子和定子基座的質量。疊片結構是由0．5 mm厚的硅鋼片構成，動、定子分別疊加50片。表1為電機機械和電氣參數。

    電機包含三個線圈。每個線圈都是經螺絲固定在運動平臺上；每個線圈相差120^。的電氣角度。該結構可以使得各個相之間的互感達到最小^[2]。為了保證較大水平力的輸出，運動平臺和定子齒之間的空氣隙固定在0.2mm。由于通電后動定子之間的吸引力很大，為使得運動期間的機械結構穩固，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為直線磁阻電機的整體構造圖。

      與早期在實驗室構造的直線電機相比^[1]，由于該電機的機械設計使空氣隙更加穩固，故電機的機械魯棒性強；在相同電流輸入下，電機具有較大的水平驅動力輸出。

    為了實現****化的速度調節，本文采用自抗擾技術對速度參數進行控制。自抗擾算法的****優點是它不依賴詳細的電機數學模型信息；相對PID算法，它不受模型內在或外界的干擾影響。仿真和實驗的結果證明了該方法可以使直線磁阻電機更適合于工作在具有各種干擾的環境下。

2自抗擾控制器的設計

    自抗擾控制器由微分跟蹤器(TD)、擴張狀態觀測器(EsO)和非線性狀態誤差反饋控制律(NLSEF)組成，如圖2所示。微分跟蹤器提供對輸入信號的快速無超調的跟蹤，并為參考輸入提供各階導數信號；擴張狀態觀測器用來估計對象各階狀態變量和對象總擾動的實時作用量；非線性狀態控制律接收來自擴張狀態觀測器的輸出控制量并對反饋回來的的誤差生成擾動補償控制量。

2．1微分跟蹤器(TD)

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

式中：v為參考輸入信號，v₁為跟蹤信號，r、α₀和δ₀為需要調節的參數。其中fal函數的表達