團隊介紹

李爭

李爭，博士，教授，博士生導師，河北科技大學電氣工程學院院長。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“五一勞動獎章”獲得者。

 

主要研究領域包括新能源發電與氫能技術、特種電機設計及其控制技術，新型電力傳動裝置。主持國家自然科學基金項目、省科技攻關（基金）項目等課題30余項；近年來在IEEE匯刊、《電工技術學報》、《中國電機工程學報》等國內外學術期刊上發表論文170余篇，其中SCI/EI收錄102篇，獲省科技進步獎2項，獲發明專利授權21項，出版著作教材3部，獲省優秀教學成果獎1項。

安金峰

安金峰，碩士研究生，研究方向為直線電機運動控制技術。

針對交流電機控制系統，解決傳統電流控制器過度依賴電機參數的問題和克服機械傳感器存在的嚴重缺陷，可以有效的優化電機控制系統調速性能。本文以永磁同步直線電機為研究對象，考慮其控制控制系統非線性、多變量和強耦合的特點，提出了一種基于無速度傳感器且電流環控制器采用模型預測算法設計的永磁同步直線電機控制策略。

研究背景

永磁同步直線電機由于具有高速度、高精密、大行程和高動態特性等優點，能夠克服“旋轉電機◆絲杠”或“旋轉電機◆齒輪齒條”的固有弱點，減少中間環節帶來的誤差，在激光切割機、高檔數控機床等各類高精密工業伺服場合具有重要應用價值。與旋轉電機相比，參數不確定和外界干擾的影響會直接作用到負載上，從而使得電流動態響應和速度平滑度惡化。

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

同時為了實現高性能的永磁同步直線電機控制就需要獲取準確的轉子位置以及轉速信息，但機械傳感器安裝使用會增加系統成本、尺寸和重量，并且對使用環境有嚴苛的要求。因此有必要設計一種無速度傳感器控制系統。

論文所解決的問題及意義

針對永磁同步直線電機控制系統，本文將模型預測電流控制器和模型參考自適應無速度傳感器引入到控制系統中，不僅降低電流控制器對電機參數的依賴程度，消除了電流耦合對模型預測模型預測控制器的影響；同時，還簡化控制系統的復雜性和成本，提高控制系統的控制性能性能和抗干擾能力。

論文方法及創新點

本文利用去除交叉耦合電動勢的定子電壓方程分別設計模型預測電流控制器的模型預測、反饋矯正和滾動優化三個模塊，輸入的電流信號量經過模型預測電流控制器三個模塊的閉環運算得到系統最優的控制量對電機進行控制。

模型預測電流控制器機構如下：

圖1 電流預測控制器框圖

• 模型預測：該模塊預測控制系統中的電流。
• 反饋校正：該模塊對預測的電流信號進行校正。
• 滾動優化：對獲得的控制增量進行優化以獲得最優的控制量。

同時利用電機的實際模型設計自適應觀測器的參考模型，可調模型利用估計的電流模型進行設計，兩個模型輸出的信號經過利用波波夫超穩定理論設計的自適應率模塊可得到電機實際的運行速度。

模型參考自適應觀測器結構如下：

圖2 模型參考自適應系統框圖

將設計的模型預測控制器和模型參考自適應控制器同時引入到永磁同步直線電機控制系統中，其控制系統結構如下所示。

圖3 電機控制系統框圖

代碼生成工具進行實驗驗證。使用STM32CubeMX軟件生成開發板底層配置代碼，再將采用Matlab生成的控制算法c代碼在STM32開發板進行算法驗證。算法實驗平臺如下所示。

圖4 實驗平臺

永磁同步直線電機控制系統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為本文所設計的控制策略的英文縮寫。

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

結論

本文為了優化永磁同步直線電機的調速性能，簡化永磁同步直線電機控制系統，同時為了解決永磁同步直線電機對速度傳感器依賴程度高的問題，設計了一種帶模型參考自適應觀測器的永磁同步直線電機模型預測電流控制系統。該系統不僅可以對速度進行在線準確辨識，同時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， 安金峰， 肖宇， 張青山， 孫鶴旭. 基于自適應觀測器的永磁同步直線電機模型預測控制系統設計[J]. 電工技術學報， 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.