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1 引言

交流伺服系統在數控機床、工業機器人、大規模集成電路、載人宇宙飛船等高科技領域的應用都日益廣泛，己遍布軍事、冶金、電力、鐵路、運輸、化工、民用等各個領域。在交流伺服系統技術的不斷進步和市場需求的日益提高成為了交流伺服系統不斷發展的兩大原動力。目前的交流伺服系統已經具備了寬調速范圍、高穩速精度、快動態響應等良好的技術性能，伺服驅動領域即將進入交流伺服時代。交流伺服系統具有電流環、速度環和位置環三環的結構形式。速度環增強系統抗干擾能力，抑制速度波動，位置環保證系統靜態精度和跟蹤性能。速度環和位置環又稱為機械環，針對這三個環節，主要采用的控制策略有：(1)矢量控制，當前高性能的伺服系統主要采用空間矢量脈寬調制方式通過控制電流來控制扭矩;(2)直接轉矩控制，直接轉矩控制理論在異步電動機方面研究較多，近年來研究者也將直接轉矩控制應用到永磁同步電機上。最近幾年，模糊控制、神經網絡控制、滑膜變結構控制、自適應控制、專家控制、復合控制等許多新型控制理論也逐漸被應用到了電機控制領域中。

本文以永磁直線同步電機為控制對象，利用矢量控制理論，推導永磁直線同步電機d、q軸解耦方程，構造機械環狀態觀測器，在傳統的機械環上加入狀態觀測器進行仿真，證明機械環狀態觀測器可以提高系統的抗干擾能力，從而保證位置控制精度。

2 PMLSM解耦控制理論

忽略端部效應，對于表面粘貼式永磁直線同步電機d，q軸電感相等，根據永磁直線同步電機矢量控制理論，可以得出式(1)的d、q軸電流狀態方程為

根據式(1)-式(3)可得如圖1所示的d-q坐標系下的永磁直線同步電機控制框圖。

3 基于狀態觀測器的機械環控制

對于永磁直線同步電機位置控制來說，在電流環性能穩定的條件下，機械環作為外環將直接影響永磁直線同步電機的最終控制效果。機械環作為外環包括速度環和位置環，目前機械環控制中位置環主要采用比例增益P控制，速度環采用比例積分PI控制，具體控制結構框圖如圖(3)所示。其中，ASR為速度環調節器，當采用比例積分PI控制時ASR為

為提高機械環的抗干擾性能，從而實現精確的位置控制，本文構造機械環狀態觀測器。在離散狀態下，一個控制周期內的加速度變化很小，因此可以忽略。則動子在一個周期內的相對位移可以表示為

根據式(16)的遞推公式，可以實現離散狀態下的機械環狀態觀測器控制程序。修正系數的選擇則可以根據特征多項式的極點配置來確定。

在機械環狀態觀測器中存在位移、速度、負載力三個狀態變量，位移與負載力的變化相對緩慢，因此主要考慮的是速度觀測誤差的收斂速度。因此在極點選取時，要使速度觀測誤差收斂得比速度響應更快，即觀測極點比速度閉環極點快些，但過快的觀測極點選取會使得系統噪聲放大，引起觀測誤差。

5 結論

本文構建了永磁直線同步電機機械環傳遞函數，推導了機械環狀態觀測器及機械環狀態觀測器的離散遞推方程，并在傳統的機械環上不加狀態觀測器和加入狀態觀測器進行仿真分析，結果證明了引入機械環狀態觀測器跟蹤性能較好，提高了系統的抗干擾能力，從而保證了直線交流伺服系統位置控制精度。