具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合附图对本发明的网络化直线开关磁阻电机控制系统及控制方法的具体实现方案进行描述。

请参见图1，图1是本发明一实施例提供的电机控制系统的方框结构示意图。电机控制系统包括：控制器10、通信单元20、依次连接的补偿器30、比较器40、执行装置50、电机装置60和编码器70；控制器10通过通信单元20分别与补偿器30和编码器70连接；从而形成闭环电机控制系统。

其中，电机装置60可以为任意能够将电力转换为动力的装置，例如，电机装置可以是直线开关磁阻电机，当然，也可以是其他形式的电机。

编码器70用于采集电机装置60的状态信号x(k)，通过通信单元20将实际编码输出信号传输至所述控制器10，也就是说，实际编码输出信号为编码器70的输出信号。其中，电机装置60的状态信号包括电机装置的速度和/或位置；也就是说，编码器70获取电机装置的速度和/或位置作为状态信号，根据状态信号确定实际编码输出信号，并将实际编码输出信号通过通信单元20传输给控制器10。本实施例中，编码器70为任意能够采集电机装置的状态信号，通过通信单元20将实际编码输出信号传输至控制器10的装置，在一个示例中，编码器70为直线编码器70。

通信单元20用于将编码器70与控制器10连接，将控制器10与补偿器30连接，以实现网络化控制。该通信单元20可以是有线网络，也可以是无线网络。

需要说明的是，由于控制器10与编码器70之间通过通信单元20连接，因此，在传输时，会存在时延，即反馈时延，本实施例中，将反馈时延记为由于控制器10和补偿器30之间通过通信单元连接，因此，在传输时，也会存在时延，即前向时延，本实施例中，将前向时延记为则电机控制系统的通信总时延本实施例中，通信总时延的取值具有随机性，在一个示例中，通信总时延可以设计为随机的、且具有马尔可夫特性。为了避免总时延不合理，在一个示例中，可以限定其中，d为时延最小值，为时延最大值。d、为预设值，在一个示例中，d为0秒，为3秒。

控制器10用于基于实际编码输出信号，在预设时域内预测编码输出信号，基于预测编码输出信号计算控制序列，通过通信单元20将控制序列发送给所述补偿器30。也就是说，预测编码输出信号为预测的编码器70的输出信号。

本发明实施例中，将编码器70输出的实际编码输出信号记为y(k)。由于控制器10和编码器70之间存在因此，控制器10在第k时刻接收到的实际编码输出信号实质为控制器10基于第k时刻接收到的实际编码输出信号在预设时域内预测编码输出信号。

本实施例中，将预测编码输出信号记为控制序列记为

其中，t为预设时域，预设时域的值可以根据实际需要灵活设置。例如，可以是1秒、2秒、3秒等。在一些示例中，t的范围可以根据时延最大值确定，例如，

在一些实施方式中，控制器10可以基于模型预测控制(Model PredictiveControl，MPC)在预设时域内预测编码输出信号。

补偿器30用于基于控制序列输出目标控制信号至比较器40。也就是说，补偿器30在接收到控制器10发送的控制序列后，从控制序列中选择一个控制信号作为目标控制信号，将其输入到比较器40。

在一些实施方式中，补偿器30在从控制序列中选择目标控制信号时，基于通信总时延从控制序列中选择目标控制信号。

在一些实施方式中，通信总时延的取值是随机的，因此，在确定此次的通信总时延时，可以随机从确定一个数字作为此次的通信总时延，再依据通信总时延从控制序列中选择一个目标控制信号，例如，假设通信总时延是2，则目标控制信号为

在一些实施方式中，通信总时延的取值是随机的，并且具有马尔可夫特性，因此，补偿器30在确定此次通信总时延的取值时，可以基于马尔可夫跳变的转移概率矩阵确定通信总时延。

比较器40用于汇集参考控制信号u_r(k)和目标控制信号u(k)，输出驱动信号至执行装置50。在一些示例中，驱动信号＝参考控制信号u_r(k)-目标控制信号u(k)。

执行装置50用于从比较器40处接收驱动信号，基于驱动信号控制电机装置60。其中，可以控制电机装置60的速度和/或位置。也就是说，执行装置50在接收到比较器40发送的驱动信号后，基于驱动信号控制电机装置60的速度和/或位置。

本实施例提供的电机控制系统，包括：控制器、通信单元、依次连接的补偿器、比较器、执行装置、电机装置和编码器；控制器通过通信单元分别与补偿单元和编码器连接；编码器用于采集电机装置的状态信号，通过通信单元输出实际编码输出信号至控制器；控制器用于基于实际编码输出信号，在预设时域内预测编码输出信号，基于预测编码输出信号计算控制序列，通过通信单元将控制序列发送给补偿器；补偿器用于基于控制序列输出目标控制信号至比较器；比较器用于汇集参考控制信号和目标控制信号，输出驱动信号至执行装置，也就是说，本发明中，基于控制器的预测编码输出信号计算控制序列，补偿器从控制序列中选取目标控制信号作用于电机，从而弥补由于通信单元造成的网络传输时延，提升电机控制系统的精度和稳定性。

基于第一实施例，提出本发明电机控制系统的第二实施例。本实施例中，参见图2所示，执行装置50包括：包括力-电函数分配模块51和电流控制回路52。力-电函数分配模块51用于从比较器40接收驱动信号并输出相电流控制信号，电流控制回路52根据相电流控制信号输出线电流信号至电机装置60，以控制电机装置60的速度和/或位置。

在一个示例中，力-电函数分配模块51包括多相激励模块511和多相力电转换单元512(图2中以3相为例进行示例)，电流控制回路52包括多个放大单元521和多个电流控制器522，多相力电转换单元512的输出端、电流控制器522的输出端分别与放大单元521的输入端连接，放大单元521的输出端与电流控制器522的输入端连接，从而形成电流控制回路52。其中，多相激励模块511根据驱动信号输出多个相力控制信号(如f_a、f_b、f_c)，多个相力控制信号分别输入至多相力电转换单元512，多相力电转换单元512根据各相力控制信号产生各相电流控制信号(如，根据f_a产生根据f_b产生根据f_c产生)，各放大单元521分别接收各相电流控制信号并输出各相电流驱动信号至各电流控制器522，所述各电流控制器522分别输出各线电流信号(如i_a、i_b、i_c)至电机装置60，以控制电机装置60的位置及速度。

基于第一实施例，提出本发明电机控制系统的第二实施例。本实施例中，控制器10在计算控制序列时，可以基于预测编码输出信号以及预设控制增益计算控制序列。

在一些实施方式中，控制器10可以基于以下方式在预设时域内预测编码输出信号：

由于电机控制系统中，电机装置60的状态信号x(k)、编码器70的编码输出信号y(k)以及补偿器30输出的目标控制信号u(k)可使用离散状态空间方程表示：

其中，A，B，C为系统矩阵，β₀为状态初始值；k₀为初始时间，d为预设值。

结合上式，根据预测控制原理可推导：

其中，

网络化预测控制器10的预测控制序列记为：

预测控制信号由下式计算：

其中，K_d(k)为预设控制增益。考虑补偿器与控制器之间的时延目标控制信号u(k)为：

故得到电机控制系统闭环模型为：

x(k₀)＝β₀,k₀＝-d,-d+1,...,0.

式中：ι＝d(k)-m+1，μ_ι＝CA^ι-1B∈R

其中，和分别为预测状态信号和预测编码输出信号，为预测控制信号。

因此，控制器10在基于计算预测编码输出信号时，先根据计算电机装置的时延状态信号(即考虑时延因素的状态信号)，再根据电机装置的时延状态信号由公式迭代和变量替换处理得到预测状态信号最后，根据公式确定

在确定后，根据以下公式

确定预测控制信号

其中，预设控制增益可以基于李雅普诺夫稳定性定理确定。在一些实施方式中，可以通过构造李雅普诺夫泛函和控制器并求解确定预设控制增益。在一个示例中，李雅普诺夫泛函如下：

V(k)＝V₁(k)+V₂(k)+V₃(k)+V₄(k)+V₅(k)

V₁(k)＝x^T(k)P(d(k))x(k),

V₂(k)＝x^T(ν)R₁x(ν),

其中，P(d(k))>0，R₁>0，R₂>0，Q₁>0，Ω_i为从k时刻的模态i跳变到k+1时刻的模态i的最小转移概率。

基于前述实施例，提出本实施例的电机控制方法，应用于前述电机控制系统，电机控制方法包括：

步骤S1：编码器70采集电机装置的状态信号，通过通信单元20将实际编码输出信号传输至控制器10。

步骤S2：控制器10基于实际编码输出信号，在预设时域内预测编码输出信号，基于预测编码输出信号和预设控制增益计算控制序列，通过通信单元20将控制序列发送给补偿器30。

步骤S3：补偿器30基于控制序列输出目标控制信号至比较器40。

步骤S4：比较器40汇集参考控制信号和目标控制信号，输出驱动信号至执行装置50，以使执行装置50根据驱动信号控制电机装置60。

需要说明的是，关于电机控制方法中涉及的各模块的具体结构及功能已在前述电机控制系统的描述中说明，此处就不再赘述。

进一步地，针对上述电机控制系统，可以通过以下方式进行仿真实验以确定电机控制系统的性能。

本实施例提供的仿真方式，是用一台直线开关磁阻电机进行测试。为降低验证的复杂性，假设期望信号为0，给定初始状态x(k₀)＝[0.1-0.1]^T。为了证明电机控制系统的有效性，针对随机总时延发生概率为30％和100％两种情况进行了仿真，以验证控制器10的有效性。

仿真结果见图3-图5所示，其中，图3-1、3-2、3-3、3-4为在随机时延发生概率为100％的情况下，不采用前述电机控制系统中的控制方法进行控制时，系统的响应曲线；图4-1、4-2、4-3、4-4为在随机时延发生概率为30％的情况下，采用前述电机控制系统中的控制方法进行控制时，系统的响应曲线；图5-1、5-2、5-3、5-4为在随机时延发生概率为100％的情况下，采用前述电机控制系统中的控制方法进行控制时，系统的响应曲线。

其中，图3-1、4-1、5-1为总时延序列(即d(k))，其中，横坐标为时间，纵坐标为总时延。

图3-2、4-2、5-2为电机状态响应曲线，其中，横坐标为时间，纵坐标为电机状态信号(即x(k))，s(k)和v(k)分别表示电机的位置和速度，上方的曲线为s(k)，下方的曲线为v(k)。

图3-3、4-3、5-3为输出响应曲线，其中，横坐标为时间，纵坐标为电机系统的输出信号(即y(k))。

图3-4、4-4、5-4为目标控制信号(即u(k))，其中，横坐标为时间，纵坐标为控制信号。

通过比较图3-图5可知，在没有使用本申请提供的电机控制系统的情况下，电机控制系统趋于发散不稳定状态。当本申请提供的电机控制系统时，系统在30秒左右趋于稳定，性能明显提高。

进一步地，针对上述电机控制系统可以通过以下方式搭建实验平台进行实验测试。

本实施例中，以一台直线开关磁阻电机接线测试。其中，直线开关磁阻电机控制系统的实验平台包括：电流驱动器，直线编码器，LSRM(直线开关磁阻电机)，以及PC机(个人计算机)。在MATLAB/Simulink中，搭建直线开关磁阻电机控制系统仿真模型；在PC端的RT-LAB软件中可以下载和编译MATLAB/Simulink里的直线开关磁阻电机控制系统模型到RT-LAB中。RT-LAB的模拟输出串口传送电流信号到电流驱动器，以驱动直线开关磁阻电机运动，直线编码器采集电机的位置信号，通过数字输入串口传给RT-LAB。RT-LAB控制中心收集的数据反馈给MATLAB/Simulink里的直线开关磁阻电机控制系统仿真模型。

直线开关磁阻电机的主要参数为：电压50V，气隙为0.3mm(毫米)，极宽为6mm，极距为12mm，定子质量为5.0kg，动子质量3.8kg，绕组匝数为220，直线编码器的分辨率为1μm(微米)。

为了证明电机控制系统的有效性，选用正弦期望信号进行实验验证。两组正弦期望信号的幅值和频率分别为25mm、0.1Hz和20mm、0.3Hz(赫兹)。

实验结果见图6至图9所示，其中REFE表示期望信号，LSRM表示电机位置跟踪信号。Error表示期望信号与电机的位置误差。

图6-1、6-2为在频率为0.1Hz、幅值为25mm的正弦期望信号下，不采用前述电机控制系统中的控制方法时，直线开关磁阻电机控制系统的动态响应曲线。图7-1、7-2为在频率为0.1Hz、幅值为25mm的正弦期望信号下，采用前述电机控制系统中的控制方法时，直线开关磁阻电机控制系统(即本发明提供的电机控制系统)的动态响应曲线。图8-1、8-2为在频率为0.3Hz、幅值为20mm的正弦期望信号下，不采用前述电机控制系统中的控制方法时，直线开关磁阻电机控制系统的动态响应曲线。图9-1、9-2为在频率为0.3Hz、幅值为20mm的正弦期望信号下，采用前述电机控制系统中的控制方法时，直线开关磁阻电机控制系统(即本发明提供的电机控制系统)的动态响应曲线。

其中，图6-1、7-1、8-1、9-1为电机的位置跟踪曲线；图6-2、7-2、8-2、9-2为电机的位置误差曲线。

基于图6-9可知，在频率为0.1Hz、幅值为25mm的正弦期望信号下，不具有预测补偿的直线开关磁阻电机控制系统的误差系数为：

E_max＝0.2946mm，E_min＝-0.2954mm，

其中，E_max、E_min和分别为直线电机跟踪期望信号的最大位置误差、最小位置误差和平均位置误差。

在频率为0.1Hz、幅值为25mm的正弦期望信号下，具有预测补偿的直线开关磁阻电机控制系统的误差系数为：

E_max＝0.1699mm，E_min＝-0.1517mm，

在频率为0.3Hz、幅值为20mm的正弦期望信号下，不具有预测补偿的直线开关磁阻电机控制系统的误差系数为：

E_max＝0.4942mm，E_min＝-0.6343mm，

在频率为0.3Hz、幅值为20mm的正弦期望信号下，具有预测补偿的直线开关磁阻电机控制系统的误差系数为：

E_max＝0.2235mm，E_min＝-0.2268mm，

由此可见，本发明实施例提供的电机控制系统，提升系统的控制精度。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。