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基于改进滑模观测器的电磁直线执行器无位移传感器控制

葛文庆 李德同 宋亚东 谭草 李波

葛文庆,李德同,宋亚东,等. 基于改进滑模观测器的电磁直线执行器无位移传感器控制[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(6):1803-1809
引用本文: 葛文庆,李德同,宋亚东,等. 基于改进滑模观测器的电磁直线执行器无位移传感器控制[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(6):1803-1809
GE W Q,LI D T,SONG Y D,et al. Displacement sensorless control of electromagnetic linear actuator based on an improved sliding mode observer[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(6):1803-1809 (in Chinese)
Citation: GE W Q,LI D T,SONG Y D,et al. Displacement sensorless control of electromagnetic linear actuator based on an improved sliding mode observer[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(6):1803-1809 (in Chinese)

基于改进滑模观测器的电磁直线执行器无位移传感器控制

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0291
基金项目: 

国家自然科学基金(52375105);山东省自然科学基金优秀青年基金项目(ZR2022YQ51);山东省自然科学基金(ZR2023ME178,ZR2023ME177);山东省高等学校“青创科技计划”团队项目(2022KJ232)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:njustlibo@126.com

  • 中图分类号: V221+.3; TB553

Displacement sensorless control of electromagnetic linear actuator based on an improved sliding mode observer

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (52375105); Outstanding Youth Fund Project of Shandong Provincial Natural Science Foundation (ZR2022YQ51); Shandong Provincial Natural Science Foundation (ZR2023ME178,ZR2023ME177); Innovation Team Project of “Qing-Chuang Science and Technology Plan” of Colleges and Universities in Shandong Province (2022KJ232)

More Information
  • 摘要:

    针对电磁直线执行器使用位移传感器带来的安装困难、成本增加和稳定性降低等问题,提出一种基于BP神经网络的改进超螺旋滑模观测器的位移估计方法,结合自适应积分鲁棒控制算法实现了电磁直线执行器无位移传感器控制。为削弱超螺旋滑模观测器的抖振现象,改善位移估计性能,在观测器结构方面,设计一种非奇异全局快速终端滑模面,并以连续的双曲正切函数作为切换函数;在观测器参数调整方面,设计BP神经网络,以动子速度为输入动态调整超螺旋滑模观测器增益。搭建电磁直线执行器运动控制性能测试平台,对位移估计与反馈控制结果进行分析,结果表明:相比于超螺旋滑模观测器,改进的滑模观测器在阶跃工况下的位移估计最大误差减小了16.22%,频率为2 Hz的正弦工况下的位移估计最大误差减小了9.10%;无位移传感器控制与有位移传感器控制的控制性能相当,两者在8 mm阶跃工况下的稳态误差约为0.03 mm,频率为2 Hz的正弦工况下,估计位移与实际位移的最大误差为0.43 mm。证明了基于改进超螺旋滑模观测器的电磁直线执行器无位移传感器控制的有效性与实用性。

     

  • 图 1  电磁直线执行器结构

    Figure 1.  Structure of electromagnetic linear actuator

    图 2  超螺旋滑模观测器的位移观测原理

    Figure 2.  Displacement observation principle of super-twisting sliding mode observer

    图 3  双曲正切函数的图像

    Figure 3.  Image of hyperbolic tangent function

    图 4  BP神经网络的基本结构

    Figure 4.  Basic structure of BP neural network

    图 5  神经网络数据训练结果

    Figure 5.  Data training results of neural network

    图 6  实验平台

    Figure 6.  Experimental platform

    图 7  电磁直线执行器无位移传感器控制系统框图

    Figure 7.  Block diagram of electromagnetic linear actuator control system of displacement sensorless

    图 8  8 mm阶跃工况位移估计效果

    Figure 8.  Displacement estimation effect for 8 mm step condition

    图 9  2 Hz正弦工况位移估计效果

    Figure 9.  Displacement estimation effect for 2 Hz sinusoidal condition

    图 10  8 mm阶跃工况下无位移传感器控制效果

    Figure 10.  Control effect of displacement sensorless under 8 mm step condition

    图 11  2 Hz正弦工况下无位移传感器控制效果

    Figure 11.  Control effect of displacement sensorless under 2 Hz sinusoidal condition

    表  1  电磁直线执行器参数值

    Table  1.   Electromagnetic linear actuator parameter values

    参数 数值
    执行器工作行程/mm 10
    动子质量/kg 0.13
    线圈电感/mH 1.3
    线圈电阻/Ω 1.1
    电磁力常数/(N·A−1 25.83
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    表  2  驱动器参数值

    Table  2.   Driver parameter values

    参数 数值
    工作电压/V 15~30
    最大额定电流/A 100
    外观尺寸/(mm×mm×mm) 70×56×18
    导通电阻/Ω 0.003
    开关频率/kHz 60
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    表  3  8 mm阶跃工况下2种观测器关键指标对比

    Table  3.   Comparison of key metrics of two observers under 8 mm step condition

    观测器类型 准确度/% RMSE/10−4mm 最大误差/mm
    STSMO 98.35 3.43 0.37
    BP-ISTSMO 99.21 2.98 0.31
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    表  4  不同阶跃工况下无位移传感器控制性能指标

    Table  4.   Performance indexes of displacement sensorless control under different step conditions

    控制类型目标位移/mm稳态误差/mm
    无位移传感器控制30.02
    50.03
    80.03
    有位移传感器控制30.02
    50.02
    80.03
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    表  5  不同频率正弦工况下无位移传感器控制性能指标

    Table  5.   Performance indexes of displacement sensorless control under sinusoidal conditions with different frequencies

    控制类型 频率/Hz RMSE/10−4 mm 最大误差/mm
    无位移传感器控制 1 4.12 0.44
    2 6.09 0.49
    有位移传感器控制 1 3.89 0.42
    2 5.67 0.46
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-08
  • 录用日期:  2024-05-24
  • 网络出版日期:  2024-06-13
  • 整期出版日期:  2026-06-30

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