550 基于神经网络给定补偿的交流永磁直线伺服系统滑模控制

［!］ + +
性和能达性，必须满足广义滑模条件 ! "!（ *" $ # # & %&’ $ $ # % $ ’ # ( ） ! ! " $ ## 1 ! " $ （ $ ## > $ ’ #!( ） !/ + （1>） 由以上各式可得滑模切换控制参数$1 ， $> ， %1 ， %> 并应满足下列不等式
［&］ 结构控制系统的抗摄动性 。文献［’］提出了一
式中
E ,% "/ - ! "*" ! 0 - # ? ! 0 - $ , & G ’% G "( F ! ， — — ,， 0 轴动子电流 ! , ! 0— — —定子永磁体产生的励磁磁链 "*"— — —动子速度 %— — —粘滞摩擦系数 ’— — —极距 !— — —动子质量 $— — —电磁推力系数 # ?— — —电磁推力 " /—
C
引言
交流永磁直线伺服系统省掉了机械速度变换机
于直线电机直接驱动负载，负载的变化和外部扰动 将直接影响伺服系统的性能。而且，电机的端部效 应、齿槽效应和永磁体磁链谐波等将产生推力纹 波，系统参数（动子质量、粘滞摩擦系数等）的变 化、负载阻力扰动、摩擦阻力的非线性变化以及状
［!］ 态的观测噪声等都会降低系统的伺服性能 。在保
&
滑模速度控制器的设计
由方程（)）可得 *"+!" 的速度微分方程： ,% - -% G ./ G 0"( - -1% G .1/ G 01+ ,& （J）
式中
-- I ’,$ . - #+ , $ 0 - I ), $ / - !0
— —时变参数 （ &） ， （ &） ， （ &） 的额定值 -1 ， .1 ， 01 — . 0 — —系统广义扰动 +— 重新定义状态变量为 2 - % I % 6/?（ % 6/? 为速度给
!
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基于 "#$ 神经网络的给定补偿复合
基于给定补偿的复合控制 滑模变结构控制所存在的“抖振”现象会导致
控制
系统的稳态误差。为了削弱“抖振”对系统稳态性 能的影响，在反馈控制回路中加入前馈通路，组成 一个前馈控制和反馈控制相结合的复合系统，不但 可以保证系统稳定，而且可以极大地提高系统的伺 服精度。实质上，复合控制是一种按不变性原理进 行控制的方式，本文采用基于给定补偿的复合控制 方式。按给定补偿的复合控制系统原理框图如图 > 所示。其中 0 （ 1） 为被控对象的传递函数， 2（ 为 % 1） 输入补偿环节的传递函数， 3 （ 1） 为滑模控制器。
第 1. 卷第 = 期
孙宜标等
基于神经网络给定补偿的交流永磁直线伺服系统滑模控制
>=
定值） ，则由式（!）可得系统状态误差方程为 ! "" # "$ $ %$ # & $ ’ ( （(）
# # # %&’ #
［,］ ! /+ 和能达条件 ! ・ 。为了保证滑模控制的存在 !
为使系统在整个动态过程中都具有滑动模态，即保 证系统在整个动态响应过程中都具有鲁棒性，在滑 模线的设计中，引入状态 " 的积分项 （ " ）) * ! 其中
［%］
图) 1234)
永磁直线同步
。 “抖振”将影响直接驱动伺
电动机（*"+!"）结构示意图 !5678576/ 9:/58; ,2<36<= >? @/6=<A/A5B=<3A/5 C2A/<6 9DA8;6>A>79 =>5>6（*"+!"）
服系统的平稳性和定位精度，增加能量损耗等。常 见的削弱“抖振”的方法是用连续的饱和非线性控 制代替切换控制，使不连续变结构控制光滑化。这 种方法可以削弱“抖振” ，但同时也消除了滑模变
构，将负载直接与永磁直线同步电动机（ 89: %9） 的动子相连，把控制对象同电机做成一体化结构， 消除了机械速度变换机构所带来的一些不良影响。 如摩擦、机械后冲、弹性变形等，在高精度、微进 给伺服系统应用中具有非常大的优势
国家自然科学基金资助项目（>"";">";） 。 孙宜标 郭庆鼎
［#］
证系统的跟踪性能的基础上，为了消除上述扰动因 素的影响，本文引入了一种非4;#$%#）及其数 学模型
交流永磁直线同步电动机是直接将交流电能转 换为直线运动的推力装置。其基本结构图如图 ) 所 示。直线电机及交流直线伺服系统的结构详见文献 ［)］ 。由于 *"+!" 的定子及动子的两端开断而产生 端部效应，它将产生推力波动，从而影响伺服系统 的性能。 对 *"+!" 进行矢量控制，即要求动子电流矢 量与定子永磁体磁场在空间上正交。电流内环采用 励磁分量 ! , - . 的控制策略，电磁推力 " / 与 ! 0 成 正比，则 *"+!" 的运动方程为
— —负阻力（包括端部效应产生的等 "( — 效阻力） 由式（)）可得 *"+!" 的传递函数为 （ *） ) （ % *） - # ?（ H $* G ’ ） !（ 0 *） （F）
定义： ) （ A * ）- #+ A H （ $ A * G ’ A ） 为 其 标 称 模 型 （其中下标 A 表示额定值） ；定义直线伺服系统的广 义扰动为 ［) , ) （ *） ］ （ + - "( G I ) , )（ % *） A *） （E）
!1% >#?#.( 摘要
郭庆鼎（沈阳工业大学电气工程学院 !!""#$）
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针对直接驱动的永磁直线同步电动机（ 89:%9）伺服系统，应用滑模变结构控制理论
设计了一种具有强鲁棒性的速度控制器。为使系统具有自学习能力，削弱滑模控制所引起的“抖 振” ，采用基于神经网络前馈给定补偿的滑模控制策略。仿真结果表明，该方案有效地克服了永 磁直线同步电机特有的端部效应所产生的推力波动对系统的影响，对参数变化及阻力扰动具有很 强的鲁棒性，而且提高了系统的稳态性能。 关键词：滑模变结构控制 9?/+,.6+ 复合控制 神经网络 永磁直线同步电动机 直接驱动 中图分类号：48#;$， 49<#!=>? @( 1&-0 A*A’/，* /2BC01 0A’’D 52(1/266’/ 32/ * D-/’51ED/-.’ A’/F*(’(1 F*+(’1 6-(’*/ 0)(E 5&/2(2C0 F212/（ 89:%9） 0’/.2 0)01’F G*0 D’0-+(’D B*0’D 2( 06-D-(+ F2D’ .*/-*B6’ 01/C51C/’ 52(1/26 1&’2/)= 42 F*H’ 1&’ 0’/.2 0)01’F A/2.-D’ G-1& 1&’ 5*A*B-6-1) 23 0’63E01CD) *(D F-(-F-I’ 1&’ 5&*11’/-(+ 23 52(1/26，* 06-D-(+ F2D’ 52(1/26 01/*1’+) G-1& * 3’’DE32/G*/DE52FF*(DE52FA’(0*12/ B*0’D 2( (’C/*6 (’1G2/H（ JJ） G*0 A/2A20’D = %-FC6*1-2( /’0C610 .’/-3) 1&*1 1&’ A/2A20’D 52(1/26 01/*1’+) 026.’ 1&’ 1&/C01 /-AA6’ A/2B6’F 23 89:%9 B’5*C0’ 23 ’(D ’33’51，*(D F*H’ 1&’ D-/’51ED/-.’ 0)01’F &*.’ 01/2(+ /2BC01(’00 12 A*/*F’1’/ .*/-*1-2( *(D /’E 0-01*(5’ A’/1C/B*1-2(= %F’*(G&-6’，1&’ 0)01’F 01’*D) 5&*/*51’/-01-5 -0 -FA/2.’D +/’*16)= B)=2(,$/： %6-D-(+ F2D’ .*/-*B6’ 01/C51C/’ 52(1/26，52FA20-1’ 52(1/26，(’C/*6 (’1G2/H，A’/F*(’(1EF*+E (’1 6-(’*/ 0)(5&/2(2C0 F212/，D-/’51ED/-.’
统在 * ! : * + " + 和 ( " + 时所需要的控制量，控制 ;7<67 系统的模型确定部分； % 2 为滑模切换控制 （6769） ，是通过高频切换控制使系统状态趋向滑 模线，并保证状态沿着滑模线滑向稳态点，使系统 具有很强的鲁棒性。基于神经网络给定补偿滑模控 制的直线伺服系统结构如图 = 所示。根据滑模等效 控制条件 * ! : * + " + 和 ( " +，由式（ (）和式（ ,） 可推导出滑模等效控制 1 % &4 " - ［ # # & %&’ $ （ * $ # #） " ］ （1+） $# 这样，通过等效控制部分的设计，就大大减小切换 控制量的幅值。切换控制 % 2 可设计为 % 2 " #1 " $ #> " ?+ ! " /+ ! !? + （11）