新型直线磁阻电机的自抗扰控制

潘剑飞，曹广忠，王鑫

(深圳大学，广东深圳518060)

    摘要：叙述了直线磁阻电机机械结构改进以及自抗扰控制(AI)RC)技术的应用。直线磁阻电机具有制造成本低、结构简单以及可靠性高等优点，自抗扰控制器具有适应内部以及外部干扰，实时调整和鲁棒陛强的特点。论述了采用自抗扰技术对直线磁阻电机的速度调节仿真和实验结果。仿真和实验结果均表明，自抗扰控制器比PID控制器具有在各种干扰作用下抗干扰能力强、鲁棒性好等特点。

    关键词：直接驱动系统；直线磁阻电机；自抗扰控制

    中图分类号：TM352；TM359．4  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)08—0001—04

0引言   

    随着电力电子技术和****控制技术的发展，人们越来越关注直接驱动系统。该系统无须引入任何机械传输部件，直接可以将电能转化成机械能，实现直线运动。此类运动控制系统可以避免回差、迟滞等一系列机械方面的问题，避免经常性的机械调整和维修工作。总之，直接驱动系统具有控制简单、响应速度快、高速度输出等特点。

    直线磁阻电机属于直接驱动系统的范畴。与其他直接驱动式电机相比(直线永磁式电机或者直线感应式电机)，直线磁阻电机具有结构简单、可靠性高等特点，而且不包含任何复杂或昂贵的部件如永磁体等。电机整体只包含硅钢片叠片和线圈等机械部件。该电机的设计结构在文献[1]中有所介绍。

    本文着重介绍一种改进型的电机结构，并且将一种新型的控制方法应用到该电机的速度调节中。

1电机结构

该直线磁阻电机包含一个运动平台，一组直线导轨，叠片式的硅钢片固定在定子基座内。运动平台和定子基座的材料都是金属铝，降低动子和定子基座的质量。叠片结构是由0．5 mm厚的硅钢片构成，动、定子分别叠加50片。表1为电机机械和电气参数。

    电机包含三个线圈。每个线圈都是经螺丝固定在运动平台上；每个线圈相差120^。的电气角度。该结构可以使得各个相之间的互感达到最小^[2]。为了保证较大水平力的输出，运动平台和定子齿之间的空气隙固定在0.2mm。由于通电后动定子之间的吸引力很大，为使得运动期间的机械结构稳固，每隔一定距离，硅钢片叠片都被铆钉锁紧；定子的硅钢片被夹杆固定在定子基座上。图1为直线磁阻电机的整体构造图。

      与早期在实验室构造的直线电机相比^[1]，由于该电机的机械设计使空气隙更加稳固，故电机的机械鲁棒性强；在相同电流输入下，电机具有较大的水平驱动力输出。

    为了实现****化的速度调节，本文采用自抗扰技术对速度参数进行控制。自抗扰算法的****优点是它不依赖详细的电机数学模型信息；相对PID算法，它不受模型内在或外界的干扰影响。仿真和实验的结果证明了该方法可以使直线磁阻电机更适合于工作在具有各种干扰的环境下。

2自抗扰控制器的设计

    自抗扰控制器由微分跟踪器(TD)、扩张状态观测器(EsO)和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)组成，如图2所示。微分跟踪器提供对输入信号的快速无超调的跟踪，并为参考输入提供各阶导数信号；扩张状态观测器用来估计对象各阶状态变量和对象总扰动的实时作用量；非线性状态控制律接收来自扩张状态观测器的输出控制量并对反馈回来的的误差生成扰动补偿控制量。

2．1微分跟踪器(TD)

    在电机控制系统中，微分信号(如速度)一般是由给定输出信号(位置)通过反向差分等方法得到，这种方法使得计算出的信号含有很多噪声而且信号不容易精确提取^[4]。微分跟踪器可以有效计算并提取微分信号^[5]。典型的微分跟踪器将输入信号以两种形式输出：输入的暂态安排以及输入信号的一阶微分。一阶微分跟踪器有如下结构：

式中：v为参考输入信号，v₁为跟踪信号，r、α₀和δ₀为需要调节的参数。其中fal函数的表达