團(tuán)隊(duì)介紹

李爭(zhēng)

李爭(zhēng)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院院長(zhǎng)。河北省首屆“青年拔尖人才”，河北省“三三三人才工程”第二層次人選，石家莊市“青年拔尖人才”，河北省“五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者。

 

主要研究領(lǐng)域包括新能源發(fā)電與氫能技術(shù)、特種電機(jī)設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)，新型電力傳動(dòng)裝置。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、省科技攻關(guān)（基金）項(xiàng)目等課題30余項(xiàng)；近年來(lái)在IEEE匯刊、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》、《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文170余篇，其中SCI/EI收錄102篇，獲省科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲發(fā)明專利授權(quán)21項(xiàng)，出版著作教材3部，獲省優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng)1項(xiàng)。

安金峰

安金峰，碩士研究生，研究方向?yàn)橹本€電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。

針對(duì)交流電機(jī)控制系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)電流控制器過(guò)度依賴電機(jī)參數(shù)的問(wèn)題和克服機(jī)械傳感器存在的嚴(yán)重缺陷，可以有效的優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速性能。本文以永磁同步直線電機(jī)為研究對(duì)象，考慮其控制控制系統(tǒng)非線性、多變量和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，提出了一種基于無(wú)速度傳感器且電流環(huán)控制器采用模型預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)的永磁同步直線電機(jī)控制策略。

研究背景

永磁同步直線電機(jī)由于具有高速度、高精密、大行程和高動(dòng)態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服“旋轉(zhuǎn)電機(jī)◆絲杠”或“旋轉(zhuǎn)電機(jī)◆齒輪齒條”的固有弱點(diǎn)，減少中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的誤差，在激光切割機(jī)、高檔數(shù)控機(jī)床等各類高精密工業(yè)伺服場(chǎng)合具有重要應(yīng)用價(jià)值。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，參數(shù)不確定和外界干擾的影響會(huì)直接作用到負(fù)載上，從而使得電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)和速度平滑度惡化。

為了獲得高品質(zhì)推力和高位置帶寬以提高系統(tǒng)的跟蹤精度，電流閉環(huán)控制需要保證高電流帶寬和強(qiáng)魯棒性。但目前的PI控制、重復(fù)控制和滯環(huán)控制都無(wú)法有效地滿足非線性、多變量和強(qiáng)耦合的永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)，因此迫切需要一種新型的控制方法。

同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)高性能的永磁同步直線電機(jī)控制就需要獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速信息，但機(jī)械傳感器安裝使用會(huì)增加系統(tǒng)成本、尺寸和重量，并且對(duì)使用環(huán)境有嚴(yán)苛的要求。因此有必要設(shè)計(jì)一種無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)。

論文所解決的問(wèn)題及意義

針對(duì)永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)，本文將模型預(yù)測(cè)電流控制器和模型參考自適應(yīng)無(wú)速度傳感器引入到控制系統(tǒng)中，不僅降低電流控制器對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴程度，消除了電流耦合對(duì)模型預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)控制器的影響；同時(shí)，還簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，提高控制系統(tǒng)的控制性能性能和抗干擾能力。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文利用去除交叉耦合電動(dòng)勢(shì)的定子電壓方程分別設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)電流控制器的模型預(yù)測(cè)、反饋矯正和滾動(dòng)優(yōu)化三個(gè)模塊，輸入的電流信號(hào)量經(jīng)過(guò)模型預(yù)測(cè)電流控制器三個(gè)模塊的閉環(huán)運(yùn)算得到系統(tǒng)最優(yōu)的控制量對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

模型預(yù)測(cè)電流控制器機(jī)構(gòu)如下：

圖1 電流預(yù)測(cè)控制器框圖

• 模型預(yù)測(cè)：該模塊預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中的電流。
• 反饋校正：該模塊對(duì)預(yù)測(cè)的電流信號(hào)進(jìn)行校正。
• 滾動(dòng)優(yōu)化：對(duì)獲得的控制增量進(jìn)行優(yōu)化以獲得最優(yōu)的控制量。

同時(shí)利用電機(jī)的實(shí)際模型設(shè)計(jì)自適應(yīng)觀測(cè)器的參考模型，可調(diào)模型利用估計(jì)的電流模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，兩個(gè)模型輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)利用波波夫超穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)的自適應(yīng)率模塊可得到電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行速度。

模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)如下：

圖2 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)框圖

將設(shè)計(jì)的模型預(yù)測(cè)控制器和模型參考自適應(yīng)控制器同時(shí)引入到永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)中，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所示。

圖3 電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

代碼生成工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用STM32CubeMX軟件生成開(kāi)發(fā)板底層配置代碼，再將采用Matlab生成的控制算法c代碼在STM32開(kāi)發(fā)板進(jìn)行算法驗(yàn)證。算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如下所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)的速度跟蹤情況和電流跟蹤情況分別如下所示。圖6中MPC-MRAS為本文所設(shè)計(jì)的控制策略的英文縮寫(xiě)。

圖5 不同工況下速度跟蹤情況

圖6 不同工況下電流的跟蹤情況

結(jié)論

本文為了優(yōu)化永磁同步直線電機(jī)的調(diào)速性能，簡(jiǎn)化永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)，同時(shí)為了解決永磁同步直線電機(jī)對(duì)速度傳感器依賴程度高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種帶模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器的永磁同步直線電機(jī)模型預(yù)測(cè)電流控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以對(duì)速度進(jìn)行在線準(zhǔn)確辨識(shí)，同時(shí)還有效地減少電流紋波和提高了電流的跟蹤性能。

引用本文

李爭(zhēng)， 安金峰， 肖宇， 張青山， 孫鶴旭. 基于自適應(yīng)觀測(cè)器的永磁同步直線電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(6): 1190-1200. Li Zheng, An Jinfeng, Xiao Yu, Zhang Qingshan, Sun Hexu. Design of Model Predictive Control System for Permanent Magnet Synchronous Linear Motor Based on Adaptive Observer. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1190-1200.