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河北科技大学李争教授团队：基于自适应观测器的永磁同步直线电机模型预测控制系统设计
针对交流电机控制系统，解决传统电流控制器过度依赖电机参数的问题和克服机械传感器存在的严重缺陷，可以有效的优化电机控制系统调速性能。本文以永磁同步直线电机为研究对象，考虑其控制控制系统非线性、多变量和强耦合的特点，提出了一种基于无速度传感器且电流环控制器采用模型预测算法设计的永磁同步直线电机控制策略。
研究背景
永磁同步直线电机由于具有高速度、高精密、大行程和高动态特性等优点，能够克服“旋转电机丝杠”或“旋转电机齿轮齿条”的固有弱点，减少中间环节带来的误差，在激光切割机、高档数控机床等各类高精密工业伺服场合具有重要应用价值。与旋转电机相比，参数不确定和外界干扰的影响会直接作用到负载上，从而使得电流动态响应和速度平滑度恶化。
为了获得高品质推力和高位置带宽以提高系统的跟踪精度,电流闭环控制需要保证高电流带宽和强鲁棒性。但目前的PI控制、重复控制和滞环控制都无法有效的满足非线性、多变量和强耦合的永磁同步直线电机控制系统，因此迫切需要一种新型的控制方法。
同时为了实现高性能的永磁同步直线电机控制就需要获取准确的转子位置以及转速信息，但机械传感器安装使用会增加系统成本、尺寸和重量，并且对使用环境有严苛的要求。因此有必要设计一种无速度传感器控制系统。
论文所解决的问题及意义
针对永磁同步直线电机控制系统，本文将模型预测电流控制器和模型参考自适应无速度传感器引入到控制系统中，不仅降低电流控制器对电机参数的依赖程度，消除了电流耦合对模型预测模型预测控制器的影响；同时，还简化控制系统的复杂性和成本，提高控制系统的控制性能性能和抗干扰能力。
论文方法及创新点
本文利用去除交叉耦合电动势的定子电压方程分别设计模型预测电流控制器的模型预测、反馈矫正和滚动优化三个模块，输入的电流信号量经过模型预测电流控制器三个模块的闭环运算得到系统最优的控制量对电机进行控制。
模型预测电流控制器机构如下：
图1 电流预测控制器框图
模型预测：该模块预测控制系统中的电流。
反馈校正：该模块对预测的电流信号进行校正。
滚动优化：对获得的控制增量进行优化以获得最优的控制量。
同时利用电机的实际模型设计自适应观测器的参考模型,可调模型利用估计的电流模型进行设计，两个模型输出的信号经过利用波波夫超稳定理论设计的自适应率模块可得到电机实际的运行速度。
模型参考自适应观测器结构如下：
图2 模型参考自适应系统框图
将设计的模型预测控制器和模型参考自适应控制器同时引入到永磁同步直线电机控制系统中，其控制系统结构如下所示。
图3 电机控制系统框图
动代码生成工具进行实验验证。使用STM32CubeMX软件生成开发板底层配置代码，再将采用Matlab生成的控制算法c代码在STM32开发板进行算法验证。算法实验平台如下所示。
图4 实验平台
永磁同步直线电机控制系统的速度跟踪情况和电流跟踪情况分别如下所示。图6中MPC-MRAS为本文所设计的控制策略的英文缩写。
图5 不同工况下速度跟踪情况
图6 不同工况下电流的跟踪情况
结论
本文为了优化永磁同步直线电机的调速性能，简化永磁同步直线电机控制系统，同时为了解决永磁同步直线电机对速度传感器依赖程度高的问题，设计了一种带模型参考自适应观测器的永磁同步直线电机模型预测电流控制系统。该系统不仅可以对速度进行在线准确辨识，同时还有效的减少电流纹波和提高了电流的跟踪性能。
引用本文
李争, 安金峰, 肖宇, 张青山, 孙鹤旭. 基于自适应观测器的永磁同步直线电机模型预测控制系统设计[J]. 电工技术学报, 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.
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