基于改进滑模控制算法的永磁直线伺服系统控制策略研究.pdf

摘要

摘要

永磁直线同步电机（PermanentMagnetlinearSynchronousMotor,PMLSM）是直

线伺服控制系统的主要驱动元件，具有响应时间快、精度高、结构简单以及运行稳定

等优点，已在智能制造、采矿、光刻机以及军事等领域得到了广泛应用，目前正处于

快速发展阶段，在直驱伺服产业中市场份额比重逐年提升。尽管相对旋转电机直驱伺

服系统特点显著，但因PMLSM简化了中间传动环节使其散热、系统柔性变差等问题

突出，其伺服驱动系统对PMLSM的参数变化敏感，且外部扰动对其伺服系统的控制

精度和性能产生较大影响。随着直驱伺服控制系统性能要求越来越高，传统PID控制

算法的鲁棒性较差，容易失效。基于此，针对PMLSM位置和速度的矢量控制的高性

能要求，本文在传统滑模控制算法研究的基础上，提出了若干改进滑模控制算法，主

要研究工作如下：

首先，从PMLSM伺服控制系统结构出发，对PMLSM的分类和应用进行了阐述，

从控制结构和控制策略两方面对PMLSM伺服系统的研究现状进行了归纳总结。根据

PMLSM的基本结构、特点、工作原理以及矢量控制，建立了PMLSM伺服驱动的数

学模型，并分别从外部负载、PMLSM的端部效应、运行中所受的摩擦力以及参数扰

动等方面对PMLSM伺服系统扰动的重要影响因素进行了分析。

其次，针对PMLSM伺服系位置控制的高性能要求，本文提出了基于扩张状态观

测器的非奇异快速Terminal滑模位置控制算法，引入逻辑函数形式的时变增益来确定

系统的不确定性，采用扩张状态观测器对伺服系统外部负载扰动进行估计，构建了前

馈补偿的矢量控制策略。利用李亚普洛夫稳定性判据证明了所提出的位置控制系统是

稳定的，并搭建了位置伺服控制系统的仿真模型。通过仿真结果表明：本文所提出的

位置复合控制算法提高了系统的控制精度、缩短了动态响应时间和增强系统的鲁棒性。

再次，为了进一步提升PMLSM伺服控制系统的性能。针对其速度控制的高精度

要求，本文提出了新型趋近律的PMLSM积分滑模速度矢量控制策略，在传统幂次滑

falRadial

模趋近律的基础上引入函数设计了速度控制器。分别采用径向基函数（

BasisFunction,RBF）神经网络观测器对伺服控制系统未建模误差进行估计，设计了

改进型干扰观测器对外部负载扰动进行估计。在设计电流环控制器时，采用积分无抖

振滑模算法。利用了李亚普洛夫稳定性判据对所提出的速度控制系统进行了稳定性证

明，并搭建了速度伺服控制系统的仿真模型，经仿真验证，本文所提出的速度控制策

略能够进一步提升PMLSM伺服控制系统的性能。

最后，为了验证所提改进型滑模控制算法的有效性，搭建了PMLSM伺服系统实

验平台，对实验平台的主要部分进行了介绍，并在该实验平台上对上述所提出的滑模

控制算法进行了实验测试。实验结果表明：本文所设计的位置控制和速度控制策略与

上述仿真结果一致，从而验证了所提改进型滑模控制算法在位置和速度控制系统的应

用是合理的，其对提高系统的控制精度、增强控制系统的鲁棒性是有效的。

I

西安工程大学硕士学位论文

关键词：永磁直线同步电机；非奇异快速Terminal滑模控制；时变增益；改进型扰动

观测器；RBF神经网络观测器；

论文类型：应用研究

II

目录

目录

第1章绪论1

1.1研究背景与意义1

1.2永磁直线同步电机的国内外研究现状1

1.2.1永磁直线同步电机的分类1

1.2.2永磁直线同步电机的应用3

1.3PMLSM伺服系统的国内外研究现状5

1.3.1PMLSM伺服系统的控