哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
永磁同步直线电机凭借其在加速度、响应速度和控制精度等方面的优势而被
广泛应用于工业生产、磁悬浮列车和精密加工等领域。随着工业技术的发展，对
于永磁直线电机的稳定性和控制精度提出了更高的要求。为了保障电机运行过程
的安全性，电机的控制系统中都会加入饱和限幅，而饱和限幅的存在有可能引起系
统的不稳定与极限环振荡。进而产生机械磨损与噪声，降低系统的控制精度。为了
抑制饱和环节的影响，本文深入分析了永磁直线电机控制系统中饱和环节导致的
系统不稳定及极限环振荡问题。针对速度环设计相应的抗饱和结构，应用所提出
的结构与控制策略，有效抑制极限环振荡，以全面提升永磁直线电机速度输出稳
定性。论文具体内容如下：
讨论永磁同步直线电机的构造和运行工作原理，并基于直线电机的数学模型
搭建电机速度-电流双闭环控制的矢量控制系统。利用频域法对电流环与速度环的
PI控制器进行参数设计，将参数设计简化为由阻尼因子和速度环带宽设计的方式。
构建考虑饱和限幅的双闭环控制系统，利用所提参数设计方式分别对典型双闭环
系统和考虑饱和的双闭环控制系统进行仿真对比分析。验证饱和环节存在导致系
统输出暂态性能变差，以及在较大参数范围内出现系统输出不稳定现象。
针对控制系统中速度环与电流环存在的两个饱和非线性环节，将含饱和环节
的电流环看作斜率限制器，根据频域特性将电流环近似线性化等效为一阶低通环
节，其中线性等效环节的截止频率与速度环和电流环饱和限幅值有关。控制系统简
化后可将系统模型分解为线性部分与非线性部分，并根据描述函数法，利用奈奎
斯特图分析系统的稳定性。构建含反计算抗饱和结构的速度环，仿真验证此结构
成功抑制了系统不稳定现象，同时系统出现了极限环振荡现象。对控制结构近似等
效后，利用描述函数法分析验证了极限环振荡的存在，并研究了不同控制参数与速
度环饱和限幅值对极限环振荡的影响。
针对反计算抗饱和结构下出现的极限环振荡问题，提出了基于线性自抗扰控
制器的速度环抗饱和控制策略，将饱和限制器的输入输出之差引入扩张状态观测
器。对控制器进行了分析设计，仿真结果证明了所提控制策略与抗饱和结构对极限
环振荡抑制效果明显优于反计算结构，但无法完全抑制。所以针对极限环振荡问题，
考虑到电流环的饱和状态，在速度环中设计幅值与速率饱和结构，并对速率饱和设
计相应的抗饱和结构，并将其加入到速度环抗饱和控制中。通过理论分析与仿真验
证，所提控制策略可以在保证暂态性能的同时实现极限环振荡的完全抑制。
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
搭建了永磁同步直线电机实验平台，验证了反计算抗饱和结构下极限环振荡
现象的存在，并对不同控制参数和饱和限幅值下的极限环振荡现象进行了实验验
证。对所提速度环控制策略进行了实验验证，验证了线性自抗扰控制器抗饱和结构
对极限环振荡的抑制更有效。引入幅值与速率饱和模型的速度环可以在不同控制
参数与饱和限幅值下实现对极限环振荡的完全抑制，扩大了系统参数范围，提高了
系统的稳定性。
关键词：永磁同步直线电机；饱和非线性；极限环振荡；线性自抗扰控制器；幅值
与速率饱和模型
-II-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Thepermanentmagnetsynchronouslinearmotor(PMSLM)hasbeenwidelyused
inindustrialproduction,maglevtrains,andprecisionmachiningduetoitsadvantagesof
fastacceleration,highresponsiveness,andhighaccuracy.Withthedevelopmentof
industrialtechnology,higherrequirementshavebeenproposed