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摘 要
直線電機(jī)在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。本文以平板式交流永磁同步直線電機(jī)為研究對象，從電機(jī)機(jī)體到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)作了深入研究。
本文首先介紹了交流永磁同步直線電機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)過程中電樞繞組、鋁芯和定子磁鋼的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方法，較大程度上減小了推力波動(dòng)，并且結(jié)合大推力直線電機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了方便有效的裝配過程。
建立交流永磁同步直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上分析了當(dāng)今最通用的伺服控制策略，選擇了矢量控制方法。確定的矢量控制實(shí)現(xiàn)形式。通過SVPWM方法進(jìn)行脈寬調(diào)制，合成三相正弦波。選用TI公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法在DSP中的實(shí)現(xiàn)形式。采用了C語言和匯編語言混合編程的實(shí)現(xiàn)方法。在功率放大裝置中，以智能功率模塊IPM為核心，設(shè)計(jì)了功率伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。還包括電流采樣、光電隔離、過壓欠壓保護(hù)和電源模塊等。
由于知識(shí)和能力的限制，本次課題只對直線電機(jī)做一些理論研究。
關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機(jī) DSP SVPWM 矢量控制
Abstract
Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade, especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM).
First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust permanent magnet synchronous motors.
To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse the current control strategies and choose the vector control method which is realized by the method of .The three phase sine wave is compounded by space voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power amplification circuit system which also contains current sampling circuit, photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage protection circuits and power supply.
As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental research to the linear motor.
Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP, SVPWM, vector control
目 錄
摘要 中文 I
英文...............................................................................................................................II
第一章 緒 論 1
1.1 研究背景和意義 1
1.2 直線電機(jī)的運(yùn)行原理及特點(diǎn) 2
1.2.1 直線電機(jī)的基本運(yùn)行原理 ……………………………………………………...2
1.2.2 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析 ………………………………………………...3
1.3 直線電機(jī)發(fā)展歷史及其伺服控制系統(tǒng)的研究綜述 4
1.3.1 國內(nèi)外直線電機(jī)歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展 …………………………………………...4
1.3.2 直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究綜述 …………………………………………...7
1.3.3 試驗(yàn)研究 …………………………………………………………………….10
1.4 本文主要研究內(nèi)容 10
第二章 永磁永磁直線同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 11
2.1 實(shí)驗(yàn)用交流永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 11
2.2 初級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
2.3 次級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
2.4電機(jī)的裝配 ……………………………………………………………………14
第三章 交流永磁直線同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制算法研究 14
3.1交流永磁直線同步電機(jī)的控制策略的選擇 14
3.2交流永磁直線同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 15
3.3交流永磁直線同步電機(jī)的矢量控制 17
3.4脈寬調(diào)制技術(shù) 21
第四章 全數(shù)字交流伺服控制單元的硬件結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì) 26
4.1 引言 26
4.2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 26
4.2.1 DSP芯片的選擇 ………………………………………………………………26
4.2.2功率驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)與選型…………………………………………………… .28
4.2.3磁極霍爾元件 31
第五章 伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 33
5.1主程序結(jié)構(gòu) 33
5.2主中斷程序 34
第六章 總結(jié)與展望 39
參考文獻(xiàn) 40
III
第一章 緒 論
1.1 研究背景和意義
高速化、精密化和模塊化是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向。進(jìn)入90年代以來，高速加工迅速發(fā)展，在高速加工中心中，高速電主軸和快速進(jìn)給伺服系統(tǒng)是其中兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中對進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出新的要求[1]：1）進(jìn)給系統(tǒng)必須與高速主軸相匹配，速度達(dá)到60m/min或更高；2）加速度要大，這樣才能在最短的時(shí)間和行程內(nèi)達(dá)到要求的高速度，至少要1～2ｇ；3）動(dòng)態(tài)性能要好，能實(shí)現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補(bǔ)償，具有較高的定位精度和剛度。
1
2
3
1－電機(jī)定子； 2－電機(jī)動(dòng)子； 3－工作臺(tái)
圖1.1 交流直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)
現(xiàn)代高速機(jī)床上實(shí)現(xiàn)高加速度直線運(yùn)動(dòng)有兩種途徑，一是采用滾珠絲杠傳動(dòng)，一是采用直線電機(jī)傳動(dòng)。前者采用旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，這種進(jìn)給系統(tǒng)所能達(dá)到的極限速度為90～120m/min，最大加速度也只有1.5g。同時(shí)，由于電機(jī)到工作臺(tái)之間存在大量的中間環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸節(jié)、絲杠等。在高速運(yùn)行或完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些機(jī)械元件產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、反向間隙等會(huì)產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滯后和其它一些非線性誤差，使系統(tǒng)有較大的慣性質(zhì)量，影響了對指令的快速響應(yīng)。另外，絲杠是細(xì)長桿，在力和熱的作用下會(huì)產(chǎn)生較大變形，影響加工精度。為了克服傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)的缺點(diǎn)，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)，滿足高速精密加工的要求，人們開始研究新型的進(jìn)給系統(tǒng)，于是直線電機(jī)（圖1.1）開始作為進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中，它取消了源動(dòng)力和工作臺(tái)部件之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度為零，即所謂的“直接驅(qū)動(dòng)”或“零傳動(dòng)”。這種機(jī)械上的簡化使得外界及自身的任何擾動(dòng)都會(huì)毫無緩沖的作用在直線電機(jī)上，因此對直線電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)的性能好壞，又決定了直線電機(jī)的整體性能。
目前國外對直線電機(jī)的研究已處于應(yīng)用階段，技術(shù)已經(jīng)很成熟，但價(jià)格昂貴，為了提高我國機(jī)床和制造業(yè)水平，國內(nèi)已經(jīng)開始了直線電機(jī)特別是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)用的直線伺服電機(jī)的研究，但還處在探討和試制階段。為了掌握自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，清華大學(xué)制造所于1996年開始研究大推力、長行程交流永磁直線同步電機(jī)進(jìn)給單元的[2]。之前，第一代樣機(jī)已經(jīng)制造出來，但控制性能有待改善，有必要進(jìn)一步研究直線電機(jī)的交流伺服控制單元。本課題是根據(jù)上述背景和研究所現(xiàn)有條件提出來，針對現(xiàn)有的樣機(jī)進(jìn)行了三相交流伺服控制系統(tǒng)的研究。
作為高速加工中心的關(guān)鍵功能部件之一，直線電機(jī)的核心技術(shù)和應(yīng)用市場都被國外的大公司如Anorad、Siemens、Kollmorgen、Indramat、Aerotech、Park等所擁有，因此自主開發(fā)一套直線電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)對于提高我國制造業(yè)水平和高速加工設(shè)備國產(chǎn)率有著較大的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，直線電機(jī)還應(yīng)用于軍事、交通等領(lǐng)域，作為一種新技術(shù)有著很高的推廣價(jià)值。
1.2 直線電機(jī)的運(yùn)行原理及特點(diǎn)
1.2.1 直線電機(jī)的基本運(yùn)行原理
圖 1.2 交流直線電機(jī)氣隙中的行波磁場
v
所謂直線電機(jī)就是利用電磁作用原理將電能直接轉(zhuǎn)換直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的設(shè)備?？梢韵胂蟀研D(zhuǎn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子沿半徑剖開后展平，可以得到直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證在整個(gè)行程之內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合保持不變，一般要將初級(jí)與次級(jí)制造成不同的長度。直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，通入三相交流電流后，也會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向呈正弦分布，只是這個(gè)磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場（圖1.2）。行波磁場與次級(jí)相互作用便產(chǎn)生電磁推力，使初級(jí)和次級(jí)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，這就是直線電機(jī)運(yùn)行的基本原理[3]。
1.2.2 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析
現(xiàn)代制造技術(shù)的高速加工系統(tǒng)中，直線電機(jī)系統(tǒng)已成為標(biāo)志性元件，直線電機(jī)的特點(diǎn)在于能直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，與間接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)＋滾珠絲杠”相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[4]：（具體性能見表1-1）
1．沒有機(jī)械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，因此沒有金屬和金屬的接觸，除了直線導(dǎo)軌外沒有其它摩擦；
2．結(jié)構(gòu)簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)，而且是只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的部件；
3．行程理論上不受限制，而且性能不會(huì)因?yàn)樾谐痰母淖兌艿接绊懀?
4．可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數(shù)米，特別是高速是直線電機(jī)一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)；
5．加速度很大，最大可達(dá)10g；
6．運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這是因?yàn)槌似鹬巫饔玫闹本€導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機(jī)械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故；
7．精度和重復(fù)精度高，因?yàn)橄擞绊懢鹊闹虚g環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達(dá)亞微米級(jí)；
8．維護(hù)簡單，由于部件少，運(yùn)動(dòng)時(shí)無機(jī)械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護(hù)，使用壽命更長。
表1-1 直線電機(jī)與“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)＋滾珠絲杠”傳動(dòng)性能比較
性能
旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)＋滾珠絲杠
直線電機(jī)
精度（μm/300mm）
10
0.5
重復(fù)精度(μm)
5
0.1
最高速度(m/min)
20～30
60～200
最大加速度(g)
0.1～0.3
2～10
靜態(tài)剛度(N/μm)
90～180
70～270
動(dòng)態(tài)剛度(N/μm)
90～180
160～210
速度平穩(wěn)性(%)
10
1
調(diào)整時(shí)間(ms)
100
10～20
壽命(h)
6,000～10,000
50,000
任何事物都有兩面性，直線電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
1．存在縱向端部效應(yīng)
首先，直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致繞組在電機(jī)中的幾何位置不再具有對稱性，對多相電機(jī)來說這種不對稱性會(huì)造成各相參數(shù)的不對稱性，從而引起電機(jī)性能的波動(dòng)。另一方面，磁場在縱向端部斷開并衰減，使行波磁場的基波減弱而諧波得到加強(qiáng)，導(dǎo)致電機(jī)推力密度下降、損耗增加，而且存在較大的推力波動(dòng)。直線電機(jī)中由于縱向端部的存在而引起的各種效應(yīng)稱為縱向端部效應(yīng)（End effect），直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了縱向端部效應(yīng)是不可避免的[5]。
2． 控制難度大
直線電機(jī)雖消除了機(jī)械傳動(dòng)鏈所帶來的一些不良影響，但卻增加了控制難度。因?yàn)樵陔姍C(jī)的運(yùn)行過程中負(fù)載（如工件重量、切削力等）的變化、系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和各種干擾（如摩擦力等），包括端部效應(yīng)都直接作用到電機(jī)上，沒有任何緩沖或削弱環(huán)節(jié)，如果控制系統(tǒng)的魯棒性不強(qiáng)，會(huì)造成系統(tǒng)的失穩(wěn)和性能的下降[4]。在要求高精度微進(jìn)給的場合，要求考慮更多的攝動(dòng)和擾動(dòng)等不確定因素對進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響。
3．效率低
由于結(jié)構(gòu)上的限制，直線電機(jī)的氣隙通常比旋轉(zhuǎn)電機(jī)大，加上端部效應(yīng)等造成的額外損耗，效率和功率因數(shù)均比旋轉(zhuǎn)電機(jī)要低。
4．成本高
直線電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、材料、防護(hù)和控制系統(tǒng)等成本均較高，隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用越來越廣泛，直線電機(jī)的成本也將越來越低。
1.3 直線電機(jī)發(fā)展歷史及其伺服控制系統(tǒng)的研究綜述
1.3.1 國內(nèi)外直線電機(jī)歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展
1845年英國人Charles Wheastone發(fā)明了世界上第一臺(tái)直線電機(jī)，但這個(gè)直線電機(jī)由于氣隙過大而導(dǎo)致效率很低，未獲成功。在隨后的一個(gè)世紀(jì)里，直線電機(jī)由于效率低、開發(fā)成本高而被長期擱置，處于停滯狀態(tài)。到了二十世紀(jì)中葉，控制、電子、材料等技術(shù)的發(fā)展，為直線電機(jī)的開發(fā)提供了理論和技術(shù)上的支持，直線電機(jī)開始進(jìn)入新的發(fā)展階段。二十世紀(jì)七十年代以后，直線電機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，如自動(dòng)繪圖儀、液態(tài)金屬泵（MHD）、電磁錘、輕工機(jī)械、家電、空氣壓縮機(jī)、半導(dǎo)體生產(chǎn)等。在這個(gè)時(shí)期，直線電機(jī)的應(yīng)用逐步滲透到機(jī)械制造業(yè)，最先用在生產(chǎn)線上運(yùn)送物料，后來應(yīng)用到機(jī)床上，如高頻響小行程直線電機(jī)被用來推動(dòng)車床橫向刀架，實(shí)現(xiàn)非圓截面零件的車削加工。
90年代以后，隨著高速加工概念的提出，直線電機(jī)開始作為進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中。由于直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢和潛力，再次成為各國制造業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，直線電機(jī)作為一種機(jī)電系統(tǒng)，將精度要求很高而又笨重的機(jī)械部件“轉(zhuǎn)嫁”于復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)，這一思路符合現(xiàn)代機(jī)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。
目前國際市場的直線電機(jī)產(chǎn)品種類繁多，各有特色，美國的Anorad公司是世界上最著名的直線電機(jī)生產(chǎn)商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電機(jī)，并獲得美國專利，他以永磁式直線電機(jī)為主，形成了不同結(jié)構(gòu)不同功率的系列產(chǎn)品（圖1.3），廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。80年代中、后期，致力于研制以直線電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，成為這一領(lǐng)域的先驅(qū)者之一。Siemens公司也推出了1FN1、1FN3等大中圖1.3 Anorad公司的直線電機(jī)產(chǎn)品
圖1.4 Siemens公司的永磁直線電機(jī)
型推力永磁直線同步電機(jī)（圖1.4），適合于加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。
此外，Kollmorgen公司和德國的Indramat公司也推出了永磁直線電機(jī)，并進(jìn)軍制造業(yè)精密運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。
目前，國內(nèi)直線電機(jī)的發(fā)展還處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段，主要研究力量是大學(xué)和科研院所。將直線電機(jī)作為機(jī)床或加工中心進(jìn)給系統(tǒng)研究的主要有廣東工業(yè)大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)等幾所大學(xué)。
廣東工業(yè)大學(xué)成立了“超高速加工與機(jī)床研究室”，主要研究和開發(fā)“超高速電主軸”和“直線電機(jī)高速進(jìn)給單元”。他們研究的是直線感應(yīng)電機(jī)，開發(fā)了GD-3型直線電機(jī)高速數(shù)控進(jìn)給單元，額定進(jìn)給力為2000N，最高進(jìn)給速度100m/min，定位精度0.004mm，行程為800mm[6]。沈陽工業(yè)大學(xué)開始對永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行研究，并制造了推力為100N的樣機(jī)。除了樣機(jī)的研制外，他們研究的另一重點(diǎn)是直線電機(jī)的控制算法及伺服系統(tǒng)。
清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系制造工程研究所針對高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的長行程、高推力永磁直線同步電機(jī)進(jìn)行了研究，現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出第二代樣機(jī)，設(shè)計(jì)額定推力為2800N。本課題研究的是用于該直線電機(jī)的全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)，爭取開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用于高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的永磁直線同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。
目前直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢：
1．部件模塊化：包括初級(jí)、次級(jí)、控制器、反饋元件、導(dǎo)軌等部件模塊化，用戶可以根據(jù)需要（如推力、行程、精度、價(jià)格等）自由組合；
2．性能系列化：由于直接驅(qū)動(dòng)，不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣可以通過減速器的減速比、絲杠螺距等環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)性能，單一性能的直線電機(jī)應(yīng)用范圍比較窄，因此性能的系列化更豐富；
3．結(jié)構(gòu)多樣化：直線電機(jī)一般直接和被驅(qū)動(dòng)部件連接，為適應(yīng)不同的安裝要求結(jié)構(gòu)必須多樣化；
4．控制數(shù)字化：直線電機(jī)的控制是直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)，全數(shù)字控制技術(shù)是解決這一難點(diǎn)的有效方案。
圖1.5 安裝直線進(jìn)給系統(tǒng)的高速加工中心HVM800
世界上第一臺(tái)在展覽會(huì)上展出的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的高速加工中心是德國Ex-cell-O公司于1993年在德國漢諾威歐洲機(jī)床展覽會(huì)上展出的XHC240型加工中心，采用的是德國Indramat公司開發(fā)的感應(yīng)式直線電機(jī)，各軸的移動(dòng)速度高達(dá)80m/min，加速度可達(dá)1g。
Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作最初實(shí)現(xiàn)了直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用。Ford公司希望機(jī)床既高速、高精度，又高柔性。合作的結(jié)果是Ingersoll公司推出了“高速模塊”HVM800，結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。其三軸都安裝了Anorad公司的永磁式直線電機(jī)，獲得很好的性能[7]。
國內(nèi)一些公司和研究所也開始涉足機(jī)床的高速化工作。在第八屆CIMT’03展覽會(huì)上，北京機(jī)電院高技術(shù)股份公司推出了我國第一臺(tái)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心（VS1250立式加工中心），該機(jī)床采用了Siemens公司的1FN1型直線電機(jī)和840D數(shù)控系統(tǒng)，X、Y軸進(jìn)給速度可達(dá)62m/min，加速度可達(dá)1g，主軸最高速15000r/min。
據(jù)有關(guān)預(yù)測十五年后，將有20％的數(shù)控機(jī)床的所有軸都安裝直線電機(jī)。除了切削加工機(jī)床外，各種機(jī)械加工機(jī)床如激光切割、等離子切割、電火花加工等設(shè)備也開始應(yīng)用直線電機(jī)。因此，高推力直線電機(jī)有著非常廣闊的應(yīng)用前景！
1.3.2 直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究綜述
目前旋轉(zhuǎn)電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品了，但作為一種直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)，主要技術(shù)還局限于國外的幾家大公司，國內(nèi)的研究也就是處于起步階段，沈陽工業(yè)大學(xué)直線電機(jī)的控制算法及伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的研究取得一定的成果。針對高速進(jìn)給系統(tǒng)用永磁直線同步電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，要提高其性能就要從直線電機(jī)結(jié)構(gòu)和電氣控制兩方面著手研究，這包括理論研究和試驗(yàn)研究。
1.3.2.1 從直線電機(jī)的理論設(shè)計(jì)上提出改進(jìn)直線電機(jī)的性能
永磁直線同步電機(jī)由于采用永磁體勵(lì)磁，在有槽電機(jī)中會(huì)產(chǎn)生推力波紋、齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。為了減小推力波紋，應(yīng)使永磁同步直線電機(jī)的初級(jí)電流和空載反電勢波形盡量接近正弦形。構(gòu)造正弦波形氣隙磁密或選擇合適的次級(jí)磁鐵形狀及布置方式都能使初級(jí)反電勢波形接近正弦波形。提高電機(jī)推力密度的同時(shí)如何減小齒槽力是永磁直線電機(jī)要解決的問題，研究表明通過優(yōu)化永磁體極距寬度、采用磁鋼斜排、增大氣隙、采用無槽結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鐵心長度等措施可以減小或消除齒槽力，但某些措施的采用會(huì)造成其它性能的減弱。為了研究端部效應(yīng)對電機(jī)性能的影響，許多學(xué)者在建立直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)將端部效應(yīng)的因素考慮進(jìn)去，減小端部效應(yīng)可以從結(jié)構(gòu)（如加入補(bǔ)償繞組、改變端部形狀）和控制（端部效應(yīng)補(bǔ)償）兩方面采取措施。
1.3.2.2 從伺服控制器的設(shè)計(jì)上改進(jìn)直線電機(jī)的性能
伺服控制系統(tǒng)是直線電機(jī)設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。這是因?yàn)椋褐本€電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這樣負(fù)載的變化就直接作用于電機(jī)；外界擾動(dòng)如工件或刀具質(zhì)量、切削力的變化等，也未經(jīng)衰減就直接作用于電機(jī)；電機(jī)參數(shù)的變化也直接影響著電機(jī)的正常運(yùn)行；直線導(dǎo)軌存在摩擦力；直線電機(jī)還存在齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。這些因素都給直線電機(jī)的伺服控制帶來困難，在控制算法中必須針對這些擾動(dòng)尋求相應(yīng)的抑制或補(bǔ)償方案，否則系統(tǒng)的穩(wěn)定性很難保證?？偟膩碚f，直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下目的：穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好。不同的直線電機(jī)及其應(yīng)用的場合對控制算法也有不同的要求，所以應(yīng)根據(jù)具體情況采用合適的控制算法。
適用于伺服控制系統(tǒng)的微機(jī)主要有微處理器、單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)逐漸邁向全數(shù)字化控制單元。其中80年代推出的MCS－51和MCS－96系列單片機(jī)，尤其是近幾年迅速發(fā)展的含有高速數(shù)字信號(hào)處理器的控制芯片為伺服控制系統(tǒng)提供了高性能的硬件平臺(tái)，能夠滿足現(xiàn)代控制算法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)時(shí)控制要求。基于上述控制芯片能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制，目前直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用的控制策略分析如下：
1．傳統(tǒng)的控制策略
傳統(tǒng)的控制策略如PID反饋控制、解耦控制等，在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和將來的信息，其配置幾乎為最優(yōu)，具有較強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最基本的控制形式，其應(yīng)用廣泛，并與其它新型控制思想結(jié)合，形成了許多有價(jià)值的控制策略。在要求實(shí)現(xiàn)微精進(jìn)給、高速與超高速運(yùn)行的高性能伺服系統(tǒng)中，滯后因素的影響將變的突出，Smith預(yù)估器與控制器并聯(lián)，可以使控制對象的時(shí)間滯后得到較好的補(bǔ)償，這樣在設(shè)計(jì)控制器時(shí)就不必考慮對象的時(shí)滯影響，對解決伺服系統(tǒng)中逆變器電力傳輸延遲和速度測量之后所造成的速度反饋滯后影響是十分有效的。在直線永磁交流伺服電機(jī)系統(tǒng)中存在著多個(gè)電磁變量和機(jī)械變量，在這些變量之間存在較強(qiáng)的耦合作用，為了提高控制效果，在交流伺服系統(tǒng)中通常要求實(shí)現(xiàn)矢量控制，矢量控制就是將三相電流矢量分解為兩個(gè)獨(dú)立的電流分量，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。一般是使磁場分量為零，使輸出力與交軸電流具有線性關(guān)系。電流矢量與速度反饋回路也有耦合作用，在動(dòng)態(tài)過程中，可以采用解耦控制算法加以解決，使各變量間的耦合減小到最低限度，以使各變量都能得到單獨(dú)的控制[8]。
2．現(xiàn)代控制方法
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種機(jī)械零件的加工精度要求愈來愈高，必須考慮控制對象參數(shù)乃至結(jié)構(gòu)的變化、非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時(shí)變的不確定因素，才能得到滿意的控制效果。在實(shí)際應(yīng)用需求的呼喚下，在計(jì)算機(jī)高速度、低成本所提供的良好物質(zhì)條件下，一系列現(xiàn)代控制方法應(yīng)運(yùn)而生，并應(yīng)用于實(shí)際中，如非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)見控制、魯棒控制、辨識(shí)算法[8]?，F(xiàn)代控制算法都有很強(qiáng)的針對性和復(fù)雜的算法，選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場合和控制性能要求選擇相應(yīng)的控制策略。
3．智能控制算法
模 糊
控制器
u
∑
控制對象
y
圖1.6 典型的模糊PID控制結(jié)構(gòu)
?e
e
比較 處理
r
從60年代起，為了提高控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，人們開始注意將人工智能技術(shù)與方法應(yīng)用于控制系統(tǒng)。對控制對象、環(huán)境與任務(wù)復(fù)雜的系統(tǒng)宜采用智能控制方法。模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制是當(dāng)前三種比較典型的智能控制策略。針對直線永磁交流伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和模糊控制器的邏輯判斷和推理能力。其中模糊控制器專用芯片已經(jīng)商品化，因其實(shí)時(shí)性好、控制精度高，在伺服系統(tǒng)中已有應(yīng)用。如圖1.6是典型的模糊PID控制結(jié)構(gòu)，這樣根據(jù)輸入差分等級(jí)不同建立相應(yīng)的模糊控制規(guī)律或做相應(yīng)的改進(jìn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是與模型參考自適應(yīng)控制相結(jié)合提出了模型參考自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的一種新型控制技術(shù)，它兼具了兩者的優(yōu)點(diǎn)，更進(jìn)一步提高了直線電機(jī)系統(tǒng)的伺服性能。專家控制一般用于復(fù)雜的過程控制中，在伺服系統(tǒng)中研究較少。預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，智能控制策略必將成為交流直線電機(jī)伺服系統(tǒng)中最重要的控制方法之一[9] 。
綜上所述，可以看出直線電機(jī)的控制算法運(yùn)算量較大，而且在高速加工進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)。因此，要提高直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的總體性能，應(yīng)選擇高性能的運(yùn)算單元和伺服控制方案。在高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以PC機(jī)作為基本平臺(tái)，采用DSP實(shí)現(xiàn)伺服控制。
1.3.3 試驗(yàn)研究
旋轉(zhuǎn)電機(jī)的試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是很少有專門介紹直線電機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的文獻(xiàn)，試驗(yàn)研究又在直線電機(jī)技術(shù)發(fā)展中的起很大作用。由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式均不同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此，直線電機(jī)的試驗(yàn)方法也有其特殊性，需專門設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)方法。
1.4 本文主要研究內(nèi)容
本文研究了基于交流永磁直線同步電機(jī)的伺服控制單元，主要包括硬件的選型設(shè)計(jì)和軟件控制算法的實(shí)現(xiàn)，并初步做了相關(guān)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。主要內(nèi)容包括：
1．交流永磁直線同步電機(jī)伺服控制的總體方案分析；
2．交流伺服控制單元硬件結(jié)構(gòu)的分析和選型；
3．交流永磁直線同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和控制算法的研究；
4．全數(shù)字交流伺服控制單元的軟件結(jié)構(gòu)和控制界面研究；
第2章 交流永磁直線同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)
2.1實(shí)驗(yàn)用交流永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)
本課題所用直線電機(jī)為我系自己設(shè)計(jì)開發(fā)的交流永磁同步直線電機(jī)，如圖2-2所示。
圖2-2 交流永磁同步直線電機(jī)
此直線電機(jī)為平板式永磁同步直線電動(dòng)機(jī)。在結(jié)構(gòu)上主要由初級(jí)、次級(jí)、導(dǎo)軌、傳感器、拖鏈等部分組成。初級(jí)和次級(jí)是直線電機(jī)產(chǎn)生推力的兩個(gè)最重要的部件，他們的結(jié)構(gòu)組成很大程度上決定了電機(jī)的性能。直線導(dǎo)軌起著支撐作用，使動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)中始終和定子保持固定的間隙。傳感器主要有光柵、磁極霍爾、電流霍爾。
2.2 初級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
永磁同步直線電機(jī)的初級(jí)主要由電樞繞組和鋁芯兩大部分組成。電樞繞組由在同一平面上按照一定規(guī)律沿縱向排列并互相連接在一起的多組線圈構(gòu)成；鋁芯是被銑出具有一定槽型和齒型；繞組線圈有規(guī)律繞接在鋁芯的齒槽中。電樞繞組由高耐熱漆包線作為繞組線圈的導(dǎo)線，鋁心既是繞組線圈的安裝和支撐結(jié)構(gòu)，也是電機(jī)的磁路組成部分。起著匯聚磁通、減小磁漏，提高氣隙密度和推力的作用。
繞組的基本單位是線圈。每個(gè)繞組有兩個(gè)直線邊，分別嵌入在鋁心的兩個(gè)齒槽內(nèi)，是繞組的有效部分，也是電磁能量轉(zhuǎn)換的主要部分。繞組的兩個(gè)有效邊沿縱向相隔的距離稱為繞組的節(jié)距。當(dāng)繞組的節(jié)距與極距相等時(shí)稱為整距繞組，節(jié)距小于極距時(shí)稱為短距繞組。根據(jù)每個(gè)齒槽內(nèi)嵌入繞組邊數(shù)的不同，繞組可以分為單層繞組和雙層繞組，每個(gè)齒槽內(nèi)嵌入一個(gè)繞組邊時(shí)為單層繞組；每個(gè)齒槽內(nèi)簽入兩個(gè)繞組邊，且分為上下兩層時(shí)，為雙層繞組。單層繞組多為整距繞組，雙層繞組多為短距繞組。根據(jù)每相每極分布的繞組邊數(shù)不同，繞組可分為集中繞組和分布繞組。單層繞組每相每極僅有一個(gè)繞組邊時(shí)為集中繞組，雙層繞組每相每極有多于兩個(gè)繞組邊時(shí)為分布式繞組。分布式繞組對抑制諧波有好的效果，雙層繞組多采用分布式繞組。由于直線電機(jī)無法像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣繞組線圈沿圓周分布，并最終首尾相連閉合，所以存在特有的端部效應(yīng)。而雙層短距分布繞組端部效應(yīng)相比單層整距集中繞組更為明顯，所以我們選擇單層整距集中繞組。
通電線圈與對應(yīng)的N極或者S極永磁體產(chǎn)生電磁作用。各線圈的感應(yīng)力的方向相同時(shí)，合力才能最大，因此三相繞組的排列順序不能隨意變化。如果采用單純的繞組平移，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)“混相”，這樣感應(yīng)力的方向相反，部分力相互抵消，所以是不可取的。如果直接去掉某一槽中的線圈產(chǎn)生“空槽”，那么三相繞組的電參數(shù)出現(xiàn)不對稱，會(huì)導(dǎo)致明顯的推力波動(dòng)，不符合電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求。本實(shí)驗(yàn)采用“繞組空槽法”，采用繞組重組產(chǎn)生空槽，保持原繞組各相的次序不變，僅變化空槽對應(yīng)的繞組。這種接線方式?jīng)]有使繞組渾相，各槽電流方向也同原來一樣，保留了無空槽繞組的特性。
2.3次級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
次級(jí)主要由永磁體和純鐵底板組成。1983年問世的稀土釹鐵硼（NdFeB）是第三代稀土永磁體，稀土釹（Nd）在稀土礦中含量豐富，價(jià)格低廉。釹鐵硼永磁體的剩磁密度（Br）達(dá)到1.4T，矯頑力（Hc）達(dá)到990KA/m，最大磁能積高達(dá)390。在一定溫度范圍內(nèi)的退磁曲線呈直線。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的直線電機(jī)選擇了我國生產(chǎn)的具有良好性能的稀土釹鐵硼作為次極永磁體。高性能釹鐵硼稀土永磁材料的性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它永磁材料，目前是高磁場永磁電機(jī)的首選材料。我國具有豐富的稀土資源，在成本方面具有發(fā)展高性能釹鐵硼永磁電機(jī)的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[12]。
次極永磁體通過氣隙與初級(jí)繞組和鐵心相互耦合，在初級(jí)繞組中產(chǎn)生磁鏈，磁鏈的變化產(chǎn)生空載反電動(dòng)勢。反電動(dòng)勢是電動(dòng)機(jī)最重要也是最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)，對電機(jī)推力性能有重要影響。理想狀態(tài)中，反電動(dòng)勢具有正弦形狀的電動(dòng)勢波形，為了更加接近理想狀態(tài)，磁鋼的排列作了一系列改進(jìn)。本實(shí)驗(yàn)中電機(jī)的極距為30mm，磁鋼寬度是22mm，厚7mm。如圖2-3所示，通過有限元計(jì)算比較，取=4，時(shí)反電動(dòng)勢波形更為接近正弦波曲線，故在磁鋼設(shè)計(jì)中采用此截面倒角設(shè)計(jì)。
圖2-3 磁鋼截面形狀
用同樣的方法計(jì)算，發(fā)現(xiàn)磁鋼成平行四邊形斜排所產(chǎn)生的推力擾動(dòng)要比矩形直排小，故在磁鋼排列中也采用了平行四邊形斜排設(shè)計(jì)，如圖2-4所示[11]。
矩形直排
平行四邊形斜排
圖2-4 磁鋼正面俯視排列
把設(shè)計(jì)好的磁鋼極性交替縱向排列粘貼在軟鐵板上。軟鐵板采用電工純鐵，它具有很高的飽和磁感應(yīng)、低的磁滯損耗。起減小磁漏、提高氣隙密度，從而增大推力的作用[13]。
2.4 電機(jī)的裝配
由于本文所設(shè)計(jì)的直線電機(jī)屬于大推力電機(jī)，磁鋼對初級(jí)鐵心有很強(qiáng)的吸引力，為了順利把初級(jí)裝配到直線導(dǎo)軌上，且保證設(shè)計(jì)的精度要求，我們采用如下裝配方法：將定子分成等長兩段，先把導(dǎo)軌固定好，在一側(cè)安裝固定定子磁鋼和純鐵板，把初級(jí)動(dòng)子推到?jīng)]有安裝磁鋼的另一側(cè)。安裝完畢后把動(dòng)子順著導(dǎo)軌推到已經(jīng)固定好磁鋼的一側(cè)，然后把另一塊定子磁鋼安裝固定。如圖2-5所示：
圖2-5 直線電機(jī)裝配過程
并在每個(gè)底座上設(shè)計(jì)一個(gè)定位銷孔，來給磁鋼純鐵板定位，有效地避免了磁吸力的干擾，而且動(dòng)子分段后，各段的尺寸變小，有利于動(dòng)子的儲(chǔ)運(yùn)、安裝和防止變形。另外，定子磁鋼對下方的鑄鐵底座也有很強(qiáng)的吸力，所以要有方便卸下定子的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)就是將定子分成等長兩段，采用分別卸下的辦法。在每段的純鐵板上置有若干螺孔，卸下時(shí)，先用螺栓將定子段頂離底座5～10mm，然后水平拖出[14]。
第3章 交流永磁直線同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制算法研究
3.1 交流永磁直線同步電機(jī)的控制策略的選擇
現(xiàn)階段，同步電機(jī)的調(diào)速控制策略主要有兩種，分別為矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制。為構(gòu)成高性能伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，首先要選擇合適的控制策略。目前，直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制均有成功的應(yīng)用實(shí)例，它們的應(yīng)用研究仍在不斷深入地進(jìn)行著，不論何種控制方法，或多或少都會(huì)有其不足。但隨著研究的深入，技術(shù)水平的提高，硬件條件的逐漸具備，許多問題都將會(huì)被解決[15]。
對于交流電機(jī)來說，目前使用最廣泛、并已在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的當(dāng)屬1971年由德國西門子公司的Blaschke首先提出的矢量控制理論。此理論自誕生之日起，就受到人們的廣泛重視，在理論、應(yīng)用方面進(jìn)行了深入的研究 [16]。從理論上講，矢量控制是建立在被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型上，通過控制電機(jī)電樞電流實(shí)現(xiàn)電磁力矩控制。電機(jī)所產(chǎn)生的電磁力矩平穩(wěn)，電機(jī)可以運(yùn)行的轉(zhuǎn)速較低，調(diào)速范圍較寬。電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，所有電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，可以充分利用電機(jī)過載能力，提高電機(jī)啟、制動(dòng)速度，保證電機(jī)具有優(yōu)良的啟、制動(dòng)性能[17] [18]。
直接轉(zhuǎn)矩控制則不然，它只保證實(shí)際力矩與給定力矩的吻合程度，并根據(jù)力矩誤差、磁鏈誤差及磁鏈所在扇區(qū)，選擇主電路器件開關(guān)狀態(tài)，使電機(jī)磁鏈按照指定軌跡運(yùn)行。電磁轉(zhuǎn)矩及磁鏈滯環(huán)控制時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩不可避免地存在脈動(dòng)，直接影響電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)性和調(diào)速范圍。另外，通過電機(jī)反電勢積分求得定子磁鏈，這種磁鏈電壓模型在低速時(shí)準(zhǔn)確性很差，受逆變器死區(qū)時(shí)間、電機(jī)電阻及電壓檢測誤差的影響，影響電機(jī)低速運(yùn)行性能，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍。且電機(jī)靜止需要啟動(dòng)時(shí)，因電機(jī)定子初始磁鏈位置未知，系統(tǒng)無法發(fā)出正確的控制信號(hào)，電機(jī)啟動(dòng)困難。通常是將電機(jī)轉(zhuǎn)子拉到固定位置再進(jìn)行啟動(dòng)[19]。
矢量控制技術(shù)經(jīng)歷三十多年研究完善歷程，在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用所獲得的性能優(yōu)異，不論在低速還是在高速，其抗擾特性、啟制動(dòng)特性、穩(wěn)速特性均達(dá)到或者超過直流調(diào)速系統(tǒng)。在高精度傳動(dòng)系統(tǒng)中，調(diào)速范圍達(dá) 104﹕1 以上，使用矢量控制技術(shù)的通用伺服傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速范圍達(dá) 5×103﹕1～104﹕1。而且目前，直接轉(zhuǎn)矩控制用于控制永磁同步電機(jī)時(shí)，由于控制周期較長，電機(jī)定子電感又小，啟動(dòng)及負(fù)載變動(dòng)過程中，電流沖擊大，磁鏈及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。如果在永磁同步電機(jī)上實(shí)施直接轉(zhuǎn)矩控制，必須要有足夠短的控制周期，才可改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能[20]。此外，低速情況下的磁鏈觀測和轉(zhuǎn)矩觀測很難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩及磁鏈難以實(shí)現(xiàn)高性能控制，電機(jī)的速度調(diào)節(jié)范圍不寬。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇矢量控制作為控制策略。
3.2交流永磁直線同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
交流永磁直線同步電機(jī)與旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)在數(shù)學(xué)模型上是統(tǒng)一的，都可以按電機(jī)統(tǒng)一理論進(jìn)行分析。取永磁體基波磁場的方向?yàn)閐 軸，q軸超前于d 軸 90 度的方向，此坐標(biāo)軸隨電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)。則三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的d、q軸電壓方程為：
（3-1）
（3-2）
上式中，磁鏈方程為：
（3-3）
（3-4）
帶入上式可得：
（3-5）
（3-6）
上面各式中：
----------q，d軸電壓；
------------q，d軸電壓；
----------q，d軸電感；
-------------定子相電阻；
----------------轉(zhuǎn)子電角速度；
---------------永磁體基波磁鏈；
-----------------微分算子；
永磁同步直線電機(jī)的電磁推力為：
（3-7）
其中為電機(jī)極對數(shù)。將磁鏈方程代入上式得：
（3-8）
設(shè)為定子電流合成空間矢量，則有：
= （3-9）
與d軸間的角度為，則有：
（3-10）
（3-11）
將式3-10和式3-11帶入式3-8得電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
（3-12）
上式中第一項(xiàng)是由定子電流合成磁場與永磁體勵(lì)磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；第二項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，它是由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)引起的，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比[15] [16]。
當(dāng)時(shí)，上式為：
（3-13）
本永磁直線同步電機(jī)采用平板式結(jié)構(gòu)，初級(jí)為三相分布繞組，次級(jí)為交替排列的永磁體。初級(jí)通入三相對稱交流電時(shí)，產(chǎn)生的行波磁場和次級(jí)磁場相互作用產(chǎn)生直線推力。采用矢量控制策略，d軸的電流分量和q軸的電流分量之間的空間矢量夾角始終是90o，因此電機(jī)推力與近似成正比關(guān)系。
3.3交流永磁直線同步電機(jī)的矢量控制
永磁同步電機(jī)矢量控制的方法有：控制、=1控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、恒磁鏈控制等。=1控制可以降低與電機(jī)匹配的變頻器的容量，適用于大功率交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。恒磁鏈控制可以增大電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。比起=1控制，輸出轉(zhuǎn)矩要大一倍。對于最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，電機(jī)在輸出力矩滿足要求情況下定子電流最小，可以減小銅耗，提高效率，有利于逆變器開關(guān)器件的工作。是一種比較優(yōu)異的電流控制方法。但是，該控制方法運(yùn)算復(fù)雜，運(yùn)算量比較大，需要高性能的 DSP控制器方可勝任[21] 。
對于控制，轉(zhuǎn)矩只受定子電流軸分量的影響，簡化了電機(jī)數(shù)學(xué)模型。對于要求產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩一定的情況下，需要的定子電流最小，可以大大降低銅耗，提高效率，而且本直線電機(jī)屬于中小功率類型，所以我們采用這種最常用最簡單的控制方法[22] [23]。
對于控制方法的實(shí)現(xiàn)，又可以分為電壓前饋解耦控制和電壓反饋解耦控制。電壓前饋解耦控制是一種完全線性解耦控制方案，可使 id、iq完全解耦。但為獲得該控制結(jié)果，必須實(shí)時(shí)檢測電機(jī)速度ω與 iq，并做ω和 iq的乘法運(yùn)算。由于測量精度和微處理器運(yùn)算速度問題，其電流控制方案的實(shí)時(shí)性很難保證，從而要做到完全解耦很困難。電流反饋解耦控制是一種近似的解耦控制，只要適當(dāng)處理，可以使永磁同步電機(jī)在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)過程中獲得近似解耦，能夠得到快速高精度的轉(zhuǎn)矩控制，且控制電路簡單，實(shí)現(xiàn)方便，是目前普遍采用的電流解耦控制方法。本系統(tǒng)的電流控制采用電流反饋解耦控制方法[24]。
本課題采用全數(shù)字矢量控制算法。位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制，其中三個(gè)閉環(huán)以傳統(tǒng)的PID控制來實(shí)現(xiàn)。到目前為止，PID控制仍然是歷史最悠久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。因?yàn)镻ID控制有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.PID控制原理簡單，使用方便，并且已經(jīng)形成了一套完整的參數(shù)設(shè)計(jì)和參數(shù)整定的方法，比較容易掌握；
2.PID控制算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息。通過比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的適當(dāng)調(diào)整，可以達(dá)到良好的控制效果；
3.PID控制適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面；
4.PID控制魯棒性較強(qiáng)，也就是說控制品質(zhì)對控制對象特性的變化不十分敏感；
5.PID可以根據(jù)不同的需要，針對自身的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，并形成了一系列改進(jìn)的算法。
is
b
c
d
q
θ
id
iq
圖3-1 坐標(biāo)變換示意圖
矢量變換控制理論基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。并使兩分量相互垂直，彼此獨(dú)立，分別進(jìn)行調(diào)節(jié) [25]。
對直線電機(jī)來說，初級(jí)的三相電壓（U、V、W相）構(gòu)成了三相初級(jí)坐標(biāo)系（a，b，c軸系），其中的三相繞組互差120o，如圖3-1所示。在直線電機(jī)中互差120o的意義就是在水平方向上互差1/3極距。數(shù)學(xué)上習(xí)慣于用直角坐標(biāo)系來表示一個(gè)矢量，故又設(shè)定兩相初級(jí)坐標(biāo)系（α-β軸系），由三相初級(jí)坐標(biāo)系到直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換稱之為Clark變換，見公式（3-14）。由直角坐標(biāo)系到三相初級(jí)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換稱之為Clark逆變換，見公式（3-15）。
（3-14）
（3-15）
從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換是矢量控制的精髓所在，稱之為Park變換，見公式（3-16）。反之稱為Park逆變換，見公式（3-17）。
（3-16）
（3-17）
θ是d軸與軸的夾角。以旋轉(zhuǎn)電機(jī)的Park變換理論為基礎(chǔ)。從直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)組成來看，此處直線電機(jī)動(dòng)子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子，反之直線電機(jī)定子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)子。所以在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在動(dòng)
圖3-2 交流永磁同步電機(jī)d-q軸坐標(biāo)系
子上，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)。而在直線電機(jī)中，由運(yùn)動(dòng)的相對性原理，動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng)，可理解為定子相對于動(dòng)子作反方向直線運(yùn)動(dòng)，因此“旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系”（實(shí)際上此坐標(biāo)系是直線運(yùn)動(dòng)的，應(yīng)稱之為直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系）則固定在定子上，和定子一起相對于動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)，如圖3-2所示。此時(shí)，直線電機(jī)動(dòng)子向右作直線運(yùn)動(dòng)，其定子則相對于動(dòng)子向左直線運(yùn)動(dòng)，固定在定子上的坐標(biāo)系也和定子一起相對于動(dòng)子相對于動(dòng)子向左運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子內(nèi)部的行波磁場相對于動(dòng)子本身是向左運(yùn)動(dòng)，這樣站在固定在定子上的坐標(biāo)系上觀察此同步電機(jī)的行波磁場則是靜止的。于是讓d軸位于次級(jí)永磁體N極軸線上，q軸則超前d軸90o，也就是極距的1/4。θ由直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)子所處的位置決定。由光柵信號(hào)即可測得該數(shù)據(jù)。
在旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)中，電角度是角速度的時(shí)間積分，然而在直線同步電機(jī)中，電角度就是動(dòng)子線速度的積分，公式如下：
（3-18）
公式中，負(fù)號(hào)代表電角度的增加方向與動(dòng)子自身的磁場運(yùn)動(dòng)方向相反，是同步電機(jī)的未運(yùn)行之前的電角度，p表示極距[24]。
整個(gè)矢量控制的原理圖如圖3-3所示：
電壓型逆變器
交流永磁直線電機(jī)
光柵編碼器
SV
PWM
電流環(huán)PI控制
a,b
a,b,c
d,q
a,b
d,q
a,b
電流環(huán)PI控制
速度環(huán)PI控制
位置環(huán)PI控制
磁極位置檢測
Va_REF
Vb_REF
Vq_REF
Vd_REF
ia
ib
ib
ia
q
id_REF=0
0
S_REF
S
V_REF
iq
id
iq_REF
Va
Vb
Vc
圖3-3 矢量控制原理圖
3.4脈寬調(diào)制技術(shù)
1964年，德國的A.Schonung等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于交流變頻器，即正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）。經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，或者說，希望輸出PWM電壓波形的基波成分盡量大，諧波成分盡量小。至于電流波形，則還會(huì)受負(fù)載電路參數(shù)的影響，控制上就不再過問了。電流跟蹤控制則直接著眼于輸出電流是否按正弦變化，這比只考查輸出的電壓波形是進(jìn)了一步。然而電機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。電壓空間矢量控制（SVPWM）就是對準(zhǔn)這一目標(biāo)，把逆變器和電機(jī)視為一個(gè)整體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓?？臻g電壓矢量脈寬調(diào)制方式（SVPWM）的PWM開關(guān)信號(hào)切換次數(shù)大大減小，減少了輸出信號(hào)的諧波分量，降低了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音和推力波動(dòng)，符合數(shù)字化逆變技術(shù)的發(fā)展方向[25]。本實(shí)驗(yàn)中采用SVPWM調(diào)制技術(shù)。
對于三相電壓型逆變器而言，電機(jī)的相電壓依賴于它所對應(yīng)的逆變器橋臂上下功率開關(guān)的狀態(tài)，如圖3-4所示。
圖3-4 逆變器功率開關(guān)管狀態(tài)
三相橋式逆變器，通過三相的組合，共有八種工作狀態(tài)。若規(guī)定上橋?qū)闋顟B(tài)1，下橋?qū)闋顟B(tài)0，則有如下的狀態(tài)如表3-1所示
表3-1 逆變器8種工作狀態(tài)
這八種空間狀態(tài)可用矢量的概念表示。如圖3-5所示：
圖3-5 逆變器工作狀態(tài)空間矢量表示
建立人們習(xí)慣的α-β坐標(biāo)系，可見每一種空間狀態(tài)都對應(yīng)一個(gè)α、β分量。如表3-2所示：
表3-2 空間矢量坐標(biāo)系對應(yīng)值
從、、到、的變換即矢量變換中的Clarke變換，見公式3-14。由于只有8種狀態(tài)，其中和是零矢量，在實(shí)際應(yīng)用中只起延時(shí)作用。所以剩下的6個(gè)矢量只能合成一個(gè)正六邊形，而不是所需要的圓形磁鏈軌跡。但我們可以利用它們的線形組合，以獲得更多的與上面8個(gè)矢量不同的新的電壓空間矢量，從而盡可能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場。對應(yīng)到直線電機(jī)中即為直線行走的磁場。如圖3-6所示。
圖3-6 區(qū)間1內(nèi)矢量合成過程
當(dāng)磁鏈軌跡行走到相應(yīng)的區(qū)間時(shí)，就由對應(yīng)的2個(gè)矢量進(jìn)行組合。由于每一段的時(shí)間非常短，而且DSP的SVPWM電路自動(dòng)把每次組合的兩段時(shí)間都分成幾部分交替穿插在一起，這樣本來是兩個(gè)有時(shí)間先后順序的矢量就可以以矢量相加的形式進(jìn)行運(yùn)算。圖中以和之間的區(qū)域進(jìn)行說明。
（3-19）
換算到坐標(biāo)系中得：
（3-20）
由上式可求得：
（3-21）
（3-22）
歸一化處理得：
（3-23）
（3-24）
（3-25）
在其它區(qū)間也用同樣的方法推導(dǎo)[26]。以上便是3個(gè)比較寄存器寫入的值。通過不斷變化的占空比，來控制三相功率橋的導(dǎo)通與關(guān)閉，最終在三相功率輸出端輸出相差的正弦交流電壓[27]。
42
第四章 全數(shù)字交流伺服控制單元的硬件結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)
4.1 引言
整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3-1所示
永磁同步直線電機(jī)
上位PC機(jī)
DSP控制板
功率驅(qū)動(dòng)板
光柵、磁極霍爾、電流霍爾傳感器
圖3-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
TMS320F2812 DSP芯片是DSP控制板的核心，也是整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心。電流霍爾、磁極霍爾、光柵是三個(gè)主要檢測反饋裝置，分別檢測電流大小、磁極位置和動(dòng)子具體位置。DSP控制板產(chǎn)生的PWM信號(hào)送給功率驅(qū)動(dòng)板，產(chǎn)生所需要頻率和幅值的交流電。功率驅(qū)動(dòng)板主電路由整流、濾波、IPM逆變模塊組成。外加光耦隔離、過壓欠壓保護(hù)等部分。
4.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
4.2.1 DSP芯片的選擇
數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor，DSP），是指用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微處理器，是微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)這3門學(xué)科綜合研究的成果。在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，自適應(yīng)控制、擴(kuò)展卡爾曼濾波、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代控制理論與全數(shù)字化控制技術(shù)相結(jié)合，成為高性能控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。DSP以其高速計(jì)算能力和特殊的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)在許多應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)取代了工控機(jī)和單片機(jī)，成為控制系統(tǒng)的核心。
世界上第一塊DSP是1978年AMI公司的S2811，1979年美國Intel公司宣布生產(chǎn)的商