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1、10申请公布号CN101977014A43申请公布日20110216CN101977014ACN101977014A21申请号201010561466022申请日20101128H02P25/0620060171申请人沈阳工业大学地址110870辽宁省沈阳市经济技术开发区沈辽西路111号72发明人崔皆凡邢丰李林74专利代理机构沈阳智龙专利事务所普通合伙21115代理人宋铁军54发明名称直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法及所建立系统57摘要直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法及所建立系统，包括建立最优化问题数学模型；确定变量；列出约束条件；确定性能指标公式；构建系统的哈密尔顿函数；求取其协调方。
2、程、状态方程；得出能耗时间最优控制规律和最优轨迹曲线；判断电机运行是否到达能耗时间控制的最优转换点。最优控制系统包括速度调节模块、能耗时间最优控制模块、推力滞环比较模块、磁链滞环比较模块、空间电压矢量选择模块、逆变器、直线电机和磁链推力估算模块。本发明提供一种直线电机伺服系统能耗时间最优控制系统及控制方法，以减少直线电机驱动系统在短时间内快速起停的能量消耗。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页CN101977019A1/2页21直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤步骤1根据牛顿第二定律导出直线伺服系统的运。
3、动模型，建立直线电机运动的最优化问题的数学模型；步骤2根据直线电机的工况确定变量；步骤3根据直线电机运动过程列出约束条件；步骤4根据所要优化的直线电机的项目来确定性能指标公式；步骤5按下述公式构建系统的哈密尔顿函数；式中，为待定的N维拉格朗日乘子；为N维状态向量；为M维控制向量；为N维微分约束向量函数，且对，连续可微；为标量函数；步骤6对所建立的数学模型求取其协调方程如下式求取状态方程如下式式中，为最优控制；为最优轨线；步骤7通过对协调方程和状态方程的求解，得出能耗时间最优控制规律和最优轨迹曲线；步骤8根据步骤7所述规律和曲线，在电机运行过程中时刻对位置反馈信号进行判断是否到达能耗时间控制的最。
4、优转换点，实现对直线电机伺服系统能耗时间的最优控制。2根据权利要求1所述直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法，其特征在于步骤2中变量为位移变量，速度变量，推力变量。3根据权利要求1所述直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法，其特征在于步骤3中的约束条件是指起动时约束条件任意点位移为,；在电机到达给定目标点时的约束条件为，。4根据权利要求1所述直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法，其特征在于直线电机采用直接推力控制。5如权利要求14任一项所述直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法所建立系权利要求书CN101977014ACN101977019A2/2页3统，其特征在于所述系统包括速度调节模块的信号输。
5、出端连接能耗时间最优控制模块的信号输入端，能耗时间最优控制模块的信号输出端连接推力滞环比较模块的信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端，空间电压矢量选择模块的信号输出端连接逆变器的信号输入端，逆变器信号输出端分别连接直线电机和磁链推力估算模块的信号输入端，直线电机信号输出端连接磁链推力估算模块的信号输入端，磁链推力估算模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端、推力滞环比较模块的信号输入端、磁链滞环比较模块的信号输入端和能耗时间最优控制模块的信号输入端，直线电机光栅尺的信号输出端分别连接速度调节模块的信号输入端和能耗时间。
6、最优控制模块的信号输入端。权利要求书CN101977014ACN101977019A1/5页4直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法及所建立系统技术领域0001本发明属于伺服系统及自动控制领域，尤其指直线电机伺服系统能耗时间的最优控制。背景技术0002随着工业生产不断发展，能源日趋紧张，节能已成为经济和社会发展的一项长远战略目标。采用直线电机直接驱动的伺服系统省略了机械速度变换机构，具有结构简单、噪声低、速度快、效率高、组合灵活等优点，在高速精密机床、激光机械、工业机器人及各种需要直线运动的机械装置中有广泛应用前景。0003在工业自动化领域中，直线伺服电动机在工业机器人、机床及各种需要直线运动的。
7、机械装置中都有应用。在许多场合下直线电机为满足生产工艺的要求，在一个固定行程中做高速往复运动，甚至是高速往复起停运动，当直线电机运行在这种工况时消耗大量的能耗。寻求一种能耗优化控制来减少直线电机控制过程中能量消耗是有着现实意义的。但是单纯以节省能耗为目的的最少能耗控制，往往会导致控制过程响应时间过长或出现奇异情况，在实际工程中难以应用。发明内容0004本发明提供一种直线电机伺服系统能耗时间最优控制系统及控制方法，以减少直线电机驱动系统在短时间内快速起停的能量消耗。0005本发明是通过以下技术方案实施的直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤步骤1根据牛顿第二定律导出。
8、直线伺服系统的运动模型，建立直线电机运动的最优化问题的数学模型；步骤2根据直线电机的工况确定变量；步骤3根据直线电机运动过程列出约束条件；步骤4根据所要优化的直线电机的项目来确定性能指标公式；步骤5按下述公式构建系统的哈密尔顿函数；式中，为待定的N维拉格朗日乘子；为N维状态向量；为M维控制向量；为N维微分约束向量函数，且对，连续可微；为标量函数；步骤6对所建立的数学模型求取其协调方程如下式说明书CN101977014ACN101977019A2/5页5求取状态方程如下式式中，为最优控制；为最优轨线。0006步骤7通过对协调方程和状态方程的求解，得出能耗时间最优控制规律和最优轨迹曲线；步骤8根据。
9、步骤7所述规律和曲线，在电机运行过程中时刻对位置反馈信号进行判断是否到达能耗时间控制的最优转换点，实现对直线电机伺服系统能耗时间的最优控制。0007步骤2中变量为位移变量，速度变量，推力变量。0008步骤3中的约束条件是指起动时约束条件任意点位移为,；在电机到达给定目标点时的约束条件为，。0009直线电机采用直接推力控制。0010直线电机伺服系统能耗时间最优控制方法所建立系统，其特征在于所述系统包括速度调节模块的信号输出端连接能耗时间最优控制模块的信号输入端，能耗时间最优控制模块的信号输出端连接推力滞环比较模块的信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择。
10、模块的信号输入端，空间电压矢量选择模块的信号输出端连接逆变器的信号输入端，逆变器信号输出端分别连接直线电机和磁链推力估算模块的信号输入端，直线电机信号输出端连接磁链推力估算模块的信号输入端，磁链推力估算模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端、推力滞环比较模块的信号输入端、磁链滞环比较模块的信号输入端和能耗时间最优控制模块的信号输入端，直线电机光栅尺的信号输出端分别连接速度调节模块的信号输入端和能耗时间最优控制模块的信号输入端。0011在许多加工和生产过程中，为充分利用有效工作行程，要求直线伺服系统在极短的时间内达到给定的速度，并能在高速运行状态下实现高速准停；或者要求直线电机。
11、做快速的往复运动,甚至是高速往复起停运动，当直线电机运行在这些工况时能耗很大。本发明综合考虑伺服系统在满足进给精度情况下瞬时达到设定的高速状态，并在高速状态下短时间内快速准停，同时寻找一种能耗优化控制方法减少直线电机驱动系统的能量消耗，实现系统快速响应过程中达到节能及提高生产效率的目的。快速低能耗的综合控制方法在高频往复式直线运动机构中效率的提升尤为明显，适宜推广应用。0012附图说明图1为直线电机运动简图；图2为能耗时间的最优轨迹；图3为直线电机伺服系统能耗时间最优控制系统框图；说明书CN101977014ACN101977019A3/5页6具体实施方式直线电机驱动系统的进给过程分为三个阶段。
12、快速起动、快速进给、精确定位。为了提高直线电机的起动性能和缩短起动时间，并且在精确定位阶段能有很高的定位精度，本发明中直线电机控制方式采用直接推力控制，在控制过程中拥有更快的动态响应性能。0013下面结合附图对本发明进行详细说明。0014图1为直线电机运动简图，如图所示，1为动子，2为定子。0015（1）直线电机的运动模型和约束条件根据牛顿第二定律导出直线伺服系统的运动模型，建立直线电机运动的最优化问题的数学模型，XT表示直线电机动子距目标点的行程，UT为直线电机产生的推力，FL为等效的综合作用在动子上的负载阻力。直线电机的动力学方程为（1）根据直线电机的工况确定变量，设位移变量为，速度变量为。
13、，推力变量，根据直线电机运动过程列出约束条件，设初始条件为，；终端条件为，。其中就是直线电机动子运动到达目标点的时间。在整个控制过程中，电机所能够产生的推力必然受到最大推力K的约束，则由于直线电机的推力必小于等于某一数值所以有不等式约束条件（2）为了将运动方程化为状态方程的形式，令，于是可得到（3）终端条件为（4）根据所要优化的直线电机的项目来确定性能指标公式（5）由于这里采用的是能耗时间最优控制，在性能指标中施加了，0称加权系数，它体现设计者对响应时间的重视程度。0016（2）最优能耗时间轨迹应用最小值原理，构建系统的哈密尔顿函数为（6）为使H函数全局最小，最优控制为（7）说明书CN1019。
14、77014ACN101977019A4/5页7为了确定，必须求解有协态方程可得（8）求解方程8得（9）式中，、由初始条件决定的常量。0017由于H函数不显含时间，且自由，所以沿最优轨迹H函数等于零，则有（10）可以证明，本系统是平凡系统。这是因为，如果系统为奇异系统，则和。此时，由公式（7）可得（11）这里，为任意不恒等于零的非负分段连续函数。将式（9）和公式（11）带入公式（10）中，则有（12）公式（10）和公式（12）相矛盾，因此，系统是平凡的，可得最优控制必是三位控制，在1，0，1之间最多只能进行两次切换。0018（3）直线电机能耗时间伺服最优控制系统设计对所建立的数学模型求取其协调方。
15、程如下式求取状态方程如下式式中，为最优控制；为最优轨线。0019通过对协调方程和状态方程的求解，得出能耗时间最优控制规律和最优轨迹曲线。曲线见图2。在图2中直线电机的位置起点为点A（A1,A2），要实现直线伺服系统速度最优控制就必须使或者，附图2中右平面以为例进行控制。当运行到与附图2中虚线时切换到电机推力的控制状态沿轨迹中说明书CN101977014ACN101977019A5/5页8CB段运行，当与曲线L有焦点时立即切换到沿L曲线的运行状态，加反向推力而迅速停车，直到0点。0020图3为直线电机伺服系统能耗时间最优控制系统框图，如图所示，N给定速度，N反馈速度；X位置检测；F参考推力，F实。
16、际推力；参考磁链，实际磁链；磁链扇区角。给定速度V和反馈的实际速度V之差经过速度调节模块送往能耗时间最优控制模块，能耗时间控制模块用以判断当前直线电机运行状态是否到达最优开关转换点。根据判断的结果得到给定推力F。将电压、电流进行三相到两相坐标变换，根据公式估算推力，当工作在能耗时间最优控制模式时，推力的给定值要么最大，要么最小，要么为零。根据公式。扇区估算采用公式和。能耗时间最优控制模块的信号输出端连接推力滞环比较模块信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块用以判断推力和磁链的反馈值与实际值是否超出某。
17、一限定范围，结合磁链所在扇区来选择空间电压矢量。空间电压矢量选择模块的信号输出端连接逆变器的信号输入端，逆变器给直线电机施加所需要的控制电压。逆变器信号输出端分别连接直线电机和磁链推力估算模块的信号输入端，直线电机信号输出端连接磁链推力估算模块的信号输入端，磁链推力估算模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端、推力滞环比较模块的信号输入端、磁链滞环比较模块的信号输入端和能耗时间最优控制模块的信号输入端，直线电机光栅尺的信号输出端分别连接速度调节模块的信号输入端和能耗时间最优控制模块的信号输入端。直线电机运行状态信号经过光栅尺检测和采集并送往需要反馈的环节，进而实现直线电机伺服系统能耗时间最优控制。说明书CN101977014ACN101977019A1/2页9图1图2说明书附图CN101977014ACN101977019A2/2页10图3说明书附图CN101977014A。