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摘 要
直線電機在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是在機床進給驅動系統(tǒng)中。本文以平板式交流永磁同步直線電機為研究對象，從電機機體到伺服驅動系統(tǒng)的軟、硬件設計作了深入研究。
本文首先介紹了交流永磁同步直線電機機體設計過程中電樞繞組、鋁芯和定子磁鋼的設計和改進方法，較大程度上減小了推力波動，并且結合大推力直線電機的特點設計了方便有效的裝配過程。
建立交流永磁同步直線電機的數(shù)學模型，在此基礎上分析了當今最通用的伺服控制策略，選擇了矢量控制方法。確定的矢量控制實現(xiàn)形式。通過SVPWM方法進行脈寬調制，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中的實現(xiàn)形式。采用了C語言和匯編語言混合編程的實現(xiàn)方法。在功率放大裝置中，以智能功率模塊IPM為核心，設計了功率伺服驅動系統(tǒng)。還包括電流采樣、光電隔離、過壓欠壓保護和電源模塊等。
由于知識和能力的限制，本次課題只對直線電機做一些理論研究。
關鍵詞：永磁同步直線電機 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 直線電機的運行原理及特點 2
1.2.1 直線電機的基本運行原理 ……………………………………………………...2
1.2.2 直線電機進給系統(tǒng)優(yōu)缺點分析 ………………………………………………...3
1.3 直線電機發(fā)展歷史及其伺服控制系統(tǒng)的研究綜述 4
1.3.1 國內外直線電機歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展 …………………………………………...4
1.3.2 直線電機伺服控制系統(tǒng)的研究綜述 …………………………………………...7
1.3.3 試驗研究 …………………………………………………………………….10
1.4 本文主要研究內容 10
第二章 永磁永磁直線同步電機基本結構 11
2.1 實驗用交流永磁同步電機基本結構 11
2.2 初級結構設計 11
2.3 次級結構設計 12
2.4電機的裝配 ……………………………………………………………………14
第三章 交流永磁直線同步電機的數(shù)學模型和控制算法研究 14
3.1交流永磁直線同步電機的控制策略的選擇 14
3.2交流永磁直線同步電機的數(shù)學模型 15
3.3交流永磁直線同步電機的矢量控制 17
3.4脈寬調制技術 21
第四章 全數(shù)字交流伺服控制單元的硬件結構及其設計 26
4.1 引言 26
4.2控制系統(tǒng)硬件結構 26
4.2.1 DSP芯片的選擇 ………………………………………………………………26
4.2.2功率驅動單元的設計與選型…………………………………………………… .28
4.2.3磁極霍爾元件 31
第五章 伺服系統(tǒng)的軟件設計 33
5.1主程序結構 33
5.2主中斷程序 34
第六章 總結與展望 39
參考文獻 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)代制造技術的發(fā)展方向。進入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給伺服系統(tǒng)是其中兩項關鍵技術，其中對進給伺服系統(tǒng)提出新的要求[1]：1）進給系統(tǒng)必須與高速主軸相匹配，速度達到60m/min或更高；2）加速度要大，這樣才能在最短的時間和行程內達到要求的高速度，至少要1～2ｇ；3）動態(tài)性能要好，能實現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補償，具有較高的定位精度和剛度。
1
2
3
1－電機定子； 2－電機動子； 3－工作臺
圖1.1 交流直線電機進給系統(tǒng)
現(xiàn)代高速機床上實現(xiàn)高加速度直線運動有兩種途徑，一是采用滾珠絲杠傳動，一是采用直線電機傳動。前者采用旋轉伺服電機驅動滾珠絲杠，這種進給系統(tǒng)所能達到的極限速度為90～120m/min，最大加速度也只有1.5g。同時，由于電機到工作臺之間存在大量的中間環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸節(jié)、絲杠等。在高速運行或完成復雜運動時，這些機械元件產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、反向間隙等會產(chǎn)生進給運動的滯后和其它一些非線性誤差，使系統(tǒng)有較大的慣性質量，影響了對指令的快速響應。另外，絲杠是細長桿，在力和熱的作用下會產(chǎn)生較大變形，影響加工精度。為了克服傳統(tǒng)進給系統(tǒng)的缺點，簡化機床結構，滿足高速精密加工的要求，人們開始研究新型的進給系統(tǒng)，于是直線電機（圖1.1）開始作為進給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中，它取消了源動力和工作臺部件之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，使得機床進給傳動鏈的長度為零，即所謂的“直接驅動”或“零傳動”。這種機械上的簡化使得外界及自身的任何擾動都會毫無緩沖的作用在直線電機上，因此對直線電機的伺服控制系統(tǒng)的性能好壞，又決定了直線電機的整體性能。
目前國外對直線電機的研究已處于應用階段，技術已經(jīng)很成熟，但價格昂貴，為了提高我國機床和制造業(yè)水平，國內已經(jīng)開始了直線電機特別是機床進給系統(tǒng)用的直線伺服電機的研究，但還處在探討和試制階段。為了掌握自己的知識產(chǎn)權，清華大學制造所于1996年開始研究大推力、長行程交流永磁直線同步電機進給單元的[2]。之前，第一代樣機已經(jīng)制造出來，但控制性能有待改善，有必要進一步研究直線電機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)有的樣機進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鍵功能部件之一，直線電機的核心技術和應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)水平和高速加工設備國產(chǎn)率有著較大的實際意義和經(jīng)濟價值。此外，直線電機還應用于軍事、交通等領域，作為一種新技術有著很高的推廣價值。
1.2 直線電機的運行原理及特點
1.2.1 直線電機的基本運行原理
圖 1.2 交流直線電機氣隙中的行波磁場
v
所謂直線電機就是利用電磁作用原理將電能直接轉換直線運動動能的設備。可以想象把旋轉電機的定子和轉子沿半徑剖開后展平，可以得到直線電機的初級和次級，在實際應用中，為了保證在整個行程之內初級與次級之間的耦合保持不變，一般要將初級與次級制造成不同的長度。直線電機與旋轉電機類似，通入三相交流電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮端部效應，磁場在直線方向呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉的，因此稱為行波磁場（圖1.2）。行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力，使初級和次級產(chǎn)生相對運動，這就是直線電機運行的基本原理[3]。
1.2.2 直線電機進給系統(tǒng)優(yōu)缺點分析
現(xiàn)代制造技術的高速加工系統(tǒng)中，直線電機系統(tǒng)已成為標志性元件，直線電機的特點在于能直接產(chǎn)生直線運動，與間接產(chǎn)生直線運動的“旋轉伺服電機＋滾珠絲杠”相比具有以下優(yōu)點[4]：（具體性能見表1-1）
1．沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的，因此沒有金屬和金屬的接觸，除了直線導軌外沒有其它摩擦；
2．結構簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)直線驅動，而且是只有一個運動的部件；
3．行程理論上不受限制，而且性能不會因為行程的改變而受到影響；
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一個突出的優(yōu)點；
5．加速度很大，最大可達10g；
6．運動平穩(wěn)，這是因為除了起支撐作用的直線導軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉換裝置的緣故；
7．精度和重復精度高，因為消除了影響精度的中間環(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亞微米級；
8．維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。
表1-1 直線電機與“旋轉伺服電機＋滾珠絲杠”傳動性能比較
性能
旋轉伺服電機＋滾珠絲杠
直線電機
精度（μm/300mm）
10
0.5
重復精度(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
動態(tài)剛度(N/μm)
90～180
160～210
速度平穩(wěn)性(%)
10
1
調整時間(ms)
100
10～20
壽命(h)
6,000～10,000
50,000
任何事物都有兩面性，直線電機也有自身的缺點，主要表現(xiàn)在以下幾點：
1．存在縱向端部效應
首先，直線電機的結構特點導致繞組在電機中的幾何位置不再具有對稱性，對多相電機來說這種不對稱性會造成各相參數(shù)的不對稱性，從而引起電機性能的波動。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，導致電機推力密度下降、損耗增加，而且存在較大的推力波動。直線電機中由于縱向端部的存在而引起的各種效應稱為縱向端部效應（End effect），直線電機的結構特點決定了縱向端部效應是不可避免的[5]。
2． 控制難度大
直線電機雖消除了機械傳動鏈所帶來的一些不良影響，但卻增加了控制難度。因為在電機的運行過程中負載（如工件重量、切削力等）的變化、系統(tǒng)參數(shù)攝動和各種干擾（如摩擦力等），包括端部效應都直接作用到電機上，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，會造成系統(tǒng)的失穩(wěn)和性能的下降[4]。在要求高精度微進給的場合，要求考慮更多的攝動和擾動等不確定因素對進給運動的影響。
3．效率低
由于結構上的限制，直線電機的氣隙通常比旋轉電機大，加上端部效應等造成的額外損耗，效率和功率因數(shù)均比旋轉電機要低。
4．成本高
直線電機的設計、制造、材料、防護和控制系統(tǒng)等成本均較高，隨著技術的成熟和應用越來越廣泛，直線電機的成本也將越來越低。
1.3 直線電機發(fā)展歷史及其伺服控制系統(tǒng)的研究綜述
1.3.1 國內外直線電機歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展
1845年英國人Charles Wheastone發(fā)明了世界上第一臺直線電機，但這個直線電機由于氣隙過大而導致效率很低，未獲成功。在隨后的一個世紀里，直線電機由于效率低、開發(fā)成本高而被長期擱置，處于停滯狀態(tài)。到了二十世紀中葉，控制、電子、材料等技術的發(fā)展，為直線電機的開發(fā)提供了理論和技術上的支持，直線電機開始進入新的發(fā)展階段。二十世紀七十年代以后，直線電機應用的領域更加廣泛，如自動繪圖儀、液態(tài)金屬泵（MHD）、電磁錘、輕工機械、家電、空氣壓縮機、半導體生產(chǎn)等。在這個時期，直線電機的應用逐步滲透到機械制造業(yè)，最先用在生產(chǎn)線上運送物料，后來應用到機床上，如高頻響小行程直線電機被用來推動車床橫向刀架，實現(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，直線電機開始作為進給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中。由于直接驅動進給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進給系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢和潛力，再次成為各國制造業(yè)關注的焦點，直線電機作為一種機電系統(tǒng)，將精度要求很高而又笨重的機械部件“轉嫁”于復雜的電氣控制系統(tǒng)，這一思路符合現(xiàn)代機電技術的發(fā)展趨勢。
目前國際市場的直線電機產(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生產(chǎn)商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電機，并獲得美國專利，他以永磁式直線電機為主，形成了不同結構不同功率的系列產(chǎn)品（圖1.3），廣泛應用于各種領域。80年代中、后期，致力于研制以直線電機為驅動的機床進給系統(tǒng)，成為這一領域的先驅者之一。Siemens公司也推出了1FN1、1FN3等大中圖1.3 Anorad公司的直線電機產(chǎn)品
圖1.4 Siemens公司的永磁直線電機
型推力永磁直線同步電機（圖1.4），適合于加工中心進給系統(tǒng)的驅動。
此外，Kollmorgen公司和德國的Indramat公司也推出了永磁直線電機，并進軍制造業(yè)精密運動領域。
目前，國內直線電機的發(fā)展還處于實驗室開發(fā)階段，主要研究力量是大學和科研院所。將直線電機作為機床或加工中心進給系統(tǒng)研究的主要有廣東工業(yè)大學、沈陽工業(yè)大學和清華大學等幾所大學。
廣東工業(yè)大學成立了“超高速加工與機床研究室”，主要研究和開發(fā)“超高速電主軸”和“直線電機高速進給單元”。他們研究的是直線感應電機，開發(fā)了GD-3型直線電機高速數(shù)控進給單元，額定進給力為2000N，最高進給速度100m/min，定位精度0.004mm，行程為800mm[6]。沈陽工業(yè)大學開始對永磁直線同步電機進行研究，并制造了推力為100N的樣機。除了樣機的研制外，他們研究的另一重點是直線電機的控制算法及伺服系統(tǒng)。
清華大學精密儀器與機械學系制造工程研究所針對高速加工中心進給系統(tǒng)的長行程、高推力永磁直線同步電機進行了研究，現(xiàn)在已經(jīng)設計出第二代樣機，設計額定推力為2800N。本課題研究的是用于該直線電機的全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)，爭取開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的應用于高速機床進給系統(tǒng)的永磁直線同步電機伺服控制系統(tǒng)。
目前直線電機直接驅動技術的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢：
1．部件模塊化：包括初級、次級、控制器、反饋元件、導軌等部件模塊化，用戶可以根據(jù)需要（如推力、行程、精度、價格等）自由組合；
2．性能系列化：由于直接驅動，不像旋轉電機那樣可以通過減速器的減速比、絲杠螺距等環(huán)節(jié)調節(jié)性能，單一性能的直線電機應用范圍比較窄，因此性能的系列化更豐富；
3．結構多樣化：直線電機一般直接和被驅動部件連接，為適應不同的安裝要求結構必須多樣化；
4．控制數(shù)字化：直線電機的控制是直接驅動技術的一個難點，全數(shù)字控制技術是解決這一難點的有效方案。
圖1.5 安裝直線進給系統(tǒng)的高速加工中心HVM800
世界上第一臺在展覽會上展出的直線電機驅動工作臺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床展覽會上展出的XHC240型加工中心，采用的是德國Indramat公司開發(fā)的感應式直線電機，各軸的移動速度高達80m/min，加速度可達1g。
Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作最初實現(xiàn)了直線電機在機床上的應用。Ford公司希望機床既高速、高精度，又高柔性。合作的結果是Ingersoll公司推出了“高速模塊”HVM800，結構如圖1.5所示。其三軸都安裝了Anorad公司的永磁式直線電機，獲得很好的性能[7]。
國內一些公司和研究所也開始涉足機床的高速化工作。在第八屆CIMT’03展覽會上，北京機電院高技術股份公司推出了我國第一臺采用直線電機驅動的加工中心（VS1250立式加工中心），該機床采用了Siemens公司的1FN1型直線電機和840D數(shù)控系統(tǒng)，X、Y軸進給速度可達62m/min，加速度可達1g，主軸最高速15000r/min。
據(jù)有關預測十五年后，將有20％的數(shù)控機床的所有軸都安裝直線電機。除了切削加工機床外，各種機械加工機床如激光切割、等離子切割、電火花加工等設備也開始應用直線電機。因此，高推力直線電機有著非常廣闊的應用前景！
1.3.2 直線電機伺服控制系統(tǒng)的研究綜述
目前旋轉電機的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品了，但作為一種直線電機進給系統(tǒng)，主要技術還局限于國外的幾家大公司，國內的研究也就是處于起步階段，沈陽工業(yè)大學直線電機的控制算法及伺服控制系統(tǒng)進行了相關的研究取得一定的成果。針對高速進給系統(tǒng)用永磁直線同步電機的伺服控制系統(tǒng)，要提高其性能就要從直線電機結構和電氣控制兩方面著手研究，這包括理論研究和試驗研究。
1.3.2.1 從直線電機的理論設計上提出改進直線電機的性能
永磁直線同步電機由于采用永磁體勵磁，在有槽電機中會產(chǎn)生推力波紋、齒槽效應和端部效應。為了減小推力波紋，應使永磁同步直線電機的初級電流和空載反電勢波形盡量接近正弦形。構造正弦波形氣隙磁密或選擇合適的次級磁鐵形狀及布置方式都能使初級反電勢波形接近正弦波形。提高電機推力密度的同時如何減小齒槽力是永磁直線電機要解決的問題，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、采用無槽結構、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造成其它性能的減弱。為了研究端部效應對電機性能的影響，許多學者在建立直線電機數(shù)學模型時將端部效應的因素考慮進去，減小端部效應可以從結構（如加入補償繞組、改變端部形狀）和控制（端部效應補償）兩方面采取措施。
1.3.2.2 從伺服控制器的設計上改進直線電機的性能
伺服控制系統(tǒng)是直線電機設計中的另一個重點和難點。這是因為：直線電機伺服系統(tǒng)運行時直接驅動負載，這樣負載的變化就直接作用于電機；外界擾動如工件或刀具質量、切削力的變化等，也未經(jīng)衰減就直接作用于電機；電機參數(shù)的變化也直接影響著電機的正常運行；直線導軌存在摩擦力；直線電機還存在齒槽效應和端部效應。這些因素都給直線電機的伺服控制帶來困難，在控制算法中必須針對這些擾動尋求相應的抑制或補償方案，否則系統(tǒng)的穩(wěn)定性很難保證。總的來說，直線電機伺服控制系統(tǒng)的設計應滿足以下目的：穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高、動態(tài)響應快、抗干擾能力強、魯棒性好。不同的直線電機及其應用的場合對控制算法也有不同的要求，所以應根據(jù)具體情況采用合適的控制算法。
適用于伺服控制系統(tǒng)的微機主要有微處理器、單片機和數(shù)字信號處理器。隨著微電子技術和現(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，尤其是近幾年迅速發(fā)展的含有高速數(shù)字信號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，能夠滿足現(xiàn)代控制算法的實現(xiàn)和實時控制要求。基于上述控制芯片能夠實現(xiàn)復雜的控制，目前直線電機伺服控制系統(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)中得到了廣泛的應用。其中PID控制算法蘊含了動態(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)，具有較強的魯棒性，是交流伺服電動機驅動系統(tǒng)中最基本的控制形式，其應用廣泛，并與其它新型控制思想結合，形成了許多有價值的控制策略。在要求實現(xiàn)微精進給、高速與超高速運行的高性能伺服系統(tǒng)中，滯后因素的影響將變的突出，Smith預估器與控制器并聯(lián)，可以使控制對象的時間滯后得到較好的補償，這樣在設計控制器時就不必考慮對象的時滯影響，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系統(tǒng)中存在著多個電磁變量和機械變量，在這些變量之間存在較強的耦合作用，為了提高控制效果，在交流伺服系統(tǒng)中通常要求實現(xiàn)矢量控制，矢量控制就是將三相電流矢量分解為兩個獨立的電流分量，以實現(xiàn)單獨控制。一般是使磁場分量為零，使輸出力與交軸電流具有線性關系。電流矢量與速度反饋回路也有耦合作用，在動態(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的控制[8]。
2．現(xiàn)代控制方法
隨著科學技術的發(fā)展，對各種機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)乃至結構的變化、非線性的影響、運行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時變的不確定因素，才能得到滿意的控制效果。在實際應用需求的呼喚下，在計算機高速度、低成本所提供的良好物質條件下，一系列現(xiàn)代控制方法應運而生，并應用于實際中，如非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制、預見控制、魯棒控制、辨識算法[8]?，F(xiàn)代控制算法都有很強的針對性和復雜的算法，選擇時應結合應用場合和控制性能要求選擇相應的控制策略。
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控制結構
?e
e
比較 處理
r
從60年代起，為了提高控制系統(tǒng)的自學習能力，人們開始注意將人工智能技術與方法應用于控制系統(tǒng)。對控制對象、環(huán)境與任務復雜的系統(tǒng)宜采用智能控制方法。模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡和專家控制是當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)的控制器設計，主要應用了神經(jīng)網(wǎng)絡的學習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，因其實時性好、控制精度高，在伺服系統(tǒng)中已有應用。如圖1.6是典型的模糊PID控制結構，這樣根據(jù)輸入差分等級不同建立相應的模糊控制規(guī)律或做相應的改進。神經(jīng)網(wǎng)絡的應用是與模型參考自適應控制相結合提出了模型參考自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制的一種新型控制技術，它兼具了兩者的優(yōu)點，更進一步提高了直線電機系統(tǒng)的伺服性能。專家控制一般用于復雜的過程控制中，在伺服系統(tǒng)中研究較少。預計在不遠的將來，智能控制策略必將成為交流直線電機伺服系統(tǒng)中最重要的控制方法之一[9] 。
綜上所述，可以看出直線電機的控制算法運算量較大，而且在高速加工進給系統(tǒng)的實際應用實時性要求很強。因此，要提高直線電機伺服控制系統(tǒng)的總體性能，應選擇高性能的運算單元和伺服控制方案。在高速加工中心進給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅動技術，以PC機作為基本平臺，采用DSP實現(xiàn)伺服控制。
1.3.3 試驗研究
旋轉電機的試驗技術已經(jīng)很成熟，但是很少有專門介紹直線電機試驗技術的文獻，試驗研究又在直線電機技術發(fā)展中的起很大作用。由于結構和運行方式均不同于旋轉電機，因此，直線電機的試驗方法也有其特殊性，需專門設計試驗臺和試驗方法。
1.4 本文主要研究內容
本文研究了基于交流永磁直線同步電機的伺服控制單元，主要包括硬件的選型設計和軟件控制算法的實現(xiàn)，并初步做了相關的驗證性實驗。主要內容包括：
1．交流永磁直線同步電機伺服控制的總體方案分析；
2．交流伺服控制單元硬件結構的分析和選型；
3．交流永磁直線同步電機數(shù)學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構和控制界面研究；
第2章 交流永磁直線同步電機基本結構
2.1實驗用交流永磁同步電機基本結構
本課題所用直線電機為我系自己設計開發(fā)的交流永磁同步直線電機，如圖2-2所示。
圖2-2 交流永磁同步直線電機
此直線電機為平板式永磁同步直線電動機。在結構上主要由初級、次級、導軌、傳感器、拖鏈等部分組成。初級和次級是直線電機產(chǎn)生推力的兩個最重要的部件，他們的結構組成很大程度上決定了電機的性能。直線導軌起著支撐作用，使動子在運動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 初級結構設計
永磁同步直線電機的初級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線，鋁心既是繞組線圈的安裝和支撐結構，也是電機的磁路組成部分。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。每個繞組有兩個直線邊，分別嵌入在鋁心的兩個齒槽內，是繞組的有效部分，也是電磁能量轉換的主要部分。繞組的兩個有效邊沿縱向相隔的距離稱為繞組的節(jié)距。當繞組的節(jié)距與極距相等時稱為整距繞組，節(jié)距小于極距時稱為短距繞組。根據(jù)每個齒槽內嵌入繞組邊數(shù)的不同，繞組可以分為單層繞組和雙層繞組，每個齒槽內嵌入一個繞組邊時為單層繞組；每個齒槽內簽入兩個繞組邊，且分為上下兩層時，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繞組邊時為集中繞組，雙層繞組每相每極有多于兩個繞組邊時為分布式繞組。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。由于直線電機無法像旋轉電機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。而雙層短距分布繞組端部效應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。
通電線圈與對應的N極或者S極永磁體產(chǎn)生電磁作用。各線圈的感應力的方向相同時，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，結果會出現(xiàn)“混相”，這樣感應力的方向相反，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，會導致明顯的推力波動，不符合電動機設計的基本要求。本實驗采用“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次級結構設計
次級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，價格低廉。釹鐵硼永磁體的剩磁密度（Br）達到1.4T，矯頑力（Hc）達到990KA/m，最大磁能積高達390。在一定溫度范圍內的退磁曲線呈直線。本實驗設計的直線電機選擇了我國生產(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比遠遠高于其它永磁材料，目前是高磁場永磁電機的首選材料。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的得天獨厚的優(yōu)勢[12]。
次極永磁體通過氣隙與初級繞組和鐵心相互耦合，在初級繞組中產(chǎn)生磁鏈，磁鏈的變化產(chǎn)生空載反電動勢。反電動勢是電動機最重要也是最基本的設計參數(shù)和性能指標，對電機推力性能有重要影響。理想狀態(tài)中，反電動勢具有正弦形狀的電動勢波形，為了更加接近理想狀態(tài)，磁鋼的排列作了一系列改進。本實驗中電機的極距為30mm，磁鋼寬度是22mm，厚7mm。如圖2-3所示，通過有限元計算比較，取=4，時反電動勢波形更為接近正弦波曲線，故在磁鋼設計中采用此截面倒角設計。
圖2-3 磁鋼截面形狀
用同樣的方法計算，發(fā)現(xiàn)磁鋼成平行四邊形斜排所產(chǎn)生的推力擾動要比矩形直排小，故在磁鋼排列中也采用了平行四邊形斜排設計，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
把設計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、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 電機的裝配
由于本文所設計的直線電機屬于大推力電機，磁鋼對初級鐵心有很強的吸引力，為了順利把初級裝配到直線導軌上，且保證設計的精度要求，我們采用如下裝配方法：將定子分成等長兩段，先把導軌固定好，在一側安裝固定定子磁鋼和純鐵板，把初級動子推到?jīng)]有安裝磁鋼的另一側。安裝完畢后把動子順著導軌推到已經(jīng)固定好磁鋼的一側，然后把另一塊定子磁鋼安裝固定。如圖2-5所示：
圖2-5 直線電機裝配過程
并在每個底座上設計一個定位銷孔，來給磁鋼純鐵板定位，有效地避免了磁吸力的干擾，而且動子分段后，各段的尺寸變小，有利于動子的儲運、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的吸力，所以要有方便卸下定子的設計。本設計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，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的數(shù)學模型和控制算法研究
3.1 交流永磁直線同步電機的控制策略的選擇
現(xiàn)階段，同步電機的調速控制策略主要有兩種，分別為矢量控制及直接轉矩控制。為構成高性能伺服傳動系統(tǒng)，首先要選擇合適的控制策略。目前，直接轉矩控制和矢量控制均有成功的應用實例，它們的應用研究仍在不斷深入地進行著，不論何種控制方法，或多或少都會有其不足。但隨著研究的深入，技術水平的提高，硬件條件的逐漸具備，許多問題都將會被解決[15]。
對于交流電機來說，目前使用最廣泛、并已在實際系統(tǒng)中應用的當屬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、應用方面進行了深入的研究 [16]。從理論上講，矢量控制是建立在被控對象準確的數(shù)學模型上，通過控制電機電樞電流實現(xiàn)電磁力矩控制。電機所產(chǎn)生的電磁力矩平穩(wěn)，電機可以運行的轉速較低，調速范圍較寬。電機啟動、制動時，所有電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，可以充分利用電機過載能力，提高電機啟、制動速度，保證電機具有優(yōu)良的啟、制動性能[17] [18]。
直接轉矩控制則不然，它只保證實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狀態(tài)，使電機磁鏈按照指定軌跡運行。電磁轉矩及磁鏈滯環(huán)控制時，電機轉矩不可避免地存在脈動，直接影響電機低速運行平穩(wěn)性和調速范圍。另外，通過電機反電勢積分求得定子磁鏈，這種磁鏈電壓模型在低速時準確性很差，受逆變器死區(qū)時間、電機電阻及電壓檢測誤差的影響，影響電機低速運行性能，影響電機轉速運行范圍。且電機靜止需要啟動時，因電機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，電機啟動困難。通常是將電機轉子拉到固定位置再進行啟動[19]。
矢量控制技術經(jīng)歷三十多年研究完善歷程，在調速系統(tǒng)中應用所獲得的性能優(yōu)異，不論在低速還是在高速，其抗擾特性、啟制動特性、穩(wěn)速特性均達到或者超過直流調速系統(tǒng)。在高精度傳動系統(tǒng)中，調速范圍達 104﹕1 以上，使用矢量控制技術的通用伺服傳動系統(tǒng)調速范圍達 5×103﹕1～104﹕1。而且目前，直接轉矩控制用于控制永磁同步電機時，由于控制周期較長，電機定子電感又小，啟動及負載變動過程中，電流沖擊大，磁鏈及轉矩脈動較大。如果在永磁同步電機上實施直接轉矩控制，必須要有足夠短的控制周期，才可改善系統(tǒng)的動靜態(tài)性能[20]。此外，低速情況下的磁鏈觀測和轉矩觀測很難準確實現(xiàn)，轉矩及磁鏈難以實現(xiàn)高性能控制，電機的速度調節(jié)范圍不寬。因此，在本實驗中，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的數(shù)學模型
交流永磁直線同步電機與旋轉同步電機在數(shù)學模型上是統(tǒng)一的，都可以按電機統(tǒng)一理論進行分析。取永磁體基波磁場的方向為d 軸，q軸超前于d 軸 90 度的方向，此坐標軸隨電機轉子以同步速旋轉。則三相永磁同步電動機的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；
----------------轉子電角速度；
---------------永磁體基波磁鏈；
-----------------微分算子；
永磁同步直線電機的電磁推力為：
（3-7）
其中為電機極對數(shù)。將磁鏈方程代入上式得：
（3-8）
設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得電磁轉矩方程為：
（3-12）
上式中第一項是由定子電流合成磁場與永磁體勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉矩；第二項是磁阻轉矩，它是由轉子凸極效應引起的，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比[15] [16]。
當時，上式為：
（3-13）
本永磁直線同步電機采用平板式結構，初級為三相分布繞組，次級為交替排列的永磁體。初級通入三相對稱交流電時，產(chǎn)生的行波磁場和次級磁場相互作用產(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，因此電機推力與近似成正比關系。
3.3交流永磁直線同步電機的矢量控制
永磁同步電機矢量控制的方法有：控制、=1控制、最大轉矩/電流控制、恒磁鏈控制等。=1控制可以降低與電機匹配的變頻器的容量，適用于大功率交流同步電機調速系統(tǒng)。恒磁鏈控制可以增大電動機的最大輸出轉矩。比起=1控制，輸出轉矩要大一倍。對于最大轉矩/電流控制，電機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，該控制方法運算復雜，運算量比較大，需要高性能的 DSP控制器方可勝任[21] 。
對于控制，轉矩只受定子電流軸分量的影響，簡化了電機數(shù)學模型。對于要求產(chǎn)生轉矩一定的情況下，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。但為獲得該控制結果，必須實時檢測電機速度ω與 iq，并做ω和 iq的乘法運算。由于測量精度和微處理器運算速度問題，其電流控制方案的實時性很難保證，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，只要適當處理，可以使永磁同步電機在動態(tài)、靜態(tài)過程中獲得近似解耦，能夠得到快速高精度的轉矩控制，且控制電路簡單，實現(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，其中三個閉環(huán)以傳統(tǒng)的PID控制來實現(xiàn)。到目前為止，PID控制仍然是歷史最悠久、生命力最強的基本控制方式。因為PID控制有如下優(yōu)點：
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)設計和參數(shù)整定的方法，比較容易掌握；
2.PID控制算法蘊涵了動態(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)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)的適當調整，可以達到良好的控制效果；
3.PID控制適應性強，可以廣泛應用于各個方面；
4.PID控制魯棒性較強，也就是說控制品質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，針對自身的缺陷進行改進，并形成了一系列改進的算法。
is
b
c
d
q
θ
id
iq
圖3-1 坐標變換示意圖
矢量變換控制理論基本思想是在普通的三相交流電動機上設法模擬直流電動機轉矩控制規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量 和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分量。并使兩分量相互垂直，彼此獨立，分別進行調節(jié) [25]。
對直線電機來說，初級的三相電壓（U、V、W相）構成了三相初級坐標系（a，b，c軸系），其中的三相繞組互差120o，如圖3-1所示。在直線電機中互差120o的意義就是在水平方向上互差1/3極距。數(shù)學上習慣于用直角坐標系來表示一個矢量，故又設定兩相初級坐標系（α-β軸系），由三相初級坐標系到直角坐標系轉換稱之為Clark變換，見公式（3-14）。由直角坐標系到三相初級坐標系的轉換稱之為Clark逆變換，見公式（3-15）。
（3-14）
（3-15）
從靜止坐標系到旋轉坐標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。以旋轉電機的Park變換理論為基礎。從直線電機與旋轉電機各部分結構組成來看，此處直線電機動子相當于旋轉電機定子，反之直線電機定子相當于旋轉電機動子。所以在旋轉電機中旋轉坐標系固定在動
圖3-2 交流永磁同步電機d-q軸坐標系
子上，旋轉坐標系隨著電機轉子一起同步旋轉。而在直線電機中，由運動的相對性原理，動子的直線運動，可理解為定子相對于動子作反方向直線運動，因此“旋轉坐標系”（實際上此坐標系是直線運動的，應稱之為直線運動坐標系）則固定在定子上，和定子一起相對于動子作直線運動，如圖3-2所示。此時，直線電機動子向右作直線運動，其定子則相對于動子向左直線運動，固定在定子上的坐標系也和定子一起相對于動子相對于動子向左運動。動子內部的行波磁場相對于動子本身是向左運動，這樣站在固定在定子上的坐標系上觀察此同步電機的行波磁場則是靜止的。于是讓d軸位于次級永磁體N極軸線上，q軸則超前d軸90o，也就是極距的1/4。θ由直線電機運動時動子所處的位置決定。由光柵信號即可測得該數(shù)據(jù)。
在旋轉同步電機中，電角度是角速度的時間積分，然而在直線同步電機中，電角度就是動子線速度的積分，公式如下：
（3-18）
公式中，負號代表電角度的增加方向與動子自身的磁場運動方向相反，是同步電機的未運行之前的電角度，p表示極距[24]。
整個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
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脈寬調制技術
1964年，德國的A.Schonung等人率先提出了脈寬調制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調制技術推廣應用于交流變頻器，即正弦波脈寬調制技術（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，則還會受負載電路參數(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了一步。然而電機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉矩。電壓空間矢量控制（SVPWM）就是對準這一目標，把逆變器和電機視為一個整體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制PWM電壓?？臻g電壓矢量脈寬調制方式（SVPWM）的PWM開關信號切換次數(shù)大大減小，減少了輸出信號的諧波分量，降低了電機運行時的噪音和推力波動，符合數(shù)字化逆變技術的發(fā)展方向[25]。本實驗中采用SVPWM調制技術。
對于三相電壓型逆變器而言，電機的相電壓依賴于它所對應的逆變器橋臂上下功率開關的狀態(tài)，如圖3-4所示。
圖3-4 逆變器功率開關管狀態(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)定上橋導通為狀態(tài)1，下橋導通為狀態(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
建立人們習慣的α-β坐標系，可見每一種空間狀態(tài)都對應一個α、β分量。如表3-2所示：
表3-2 空間矢量坐標系對應值
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，在實際應用中只起延時作用。所以剩下的6個矢量只能合成一個正六邊形，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個矢量不同的新的電壓空間矢量，從而盡可能逼近圓形旋轉磁場。對應到直線電機中即為直線行走的磁場。如圖3-6所示。
圖3-6 區(qū)間1內矢量合成過程
當磁鏈軌跡行走到相應的區(qū)間時，就由對應的2個矢量進行組合。由于每一段的時間非常短，而且DSP的SVPWM電路自動把每次組合的兩段時間都分成幾部分交替穿插在一起，這樣本來是兩個有時間先后順序的矢量就可以以矢量相加的形式進行運算。圖中以和之間的區(qū)域進行說明。
（3-19）
換算到坐標系中得：
（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[26]。以上便是3個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通與關閉，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構及其設計
4.1 引言
整個控制系統(tǒng)的結構組成如圖3-1所示
永磁同步直線電機
上位PC機
DSP控制板
功率驅動板
光柵、磁極霍爾、電流霍爾傳感器
圖3-1 系統(tǒng)硬件結構框圖
TMS320F2812 DSP芯片是DSP控制板的核心，也是整個伺服驅動系統(tǒng)的核心。電流霍爾、磁極霍爾、光柵是三個主要檢測反饋裝置，分別檢測電流大小、磁極位置和動子具體位置。DSP控制板產(chǎn)生的PWM信號送給功率驅動板，產(chǎn)生所需要頻率和幅值的交流電。功率驅動板主電路由整流、濾波、IPM逆變模塊組成。外加光耦隔離、過壓欠壓保護等部分。
4.2 控制系統(tǒng)硬件結構
4.2.1 DSP芯片的選擇
數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP），是指用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器，是微電子學、數(shù)字信號處理、計算機技術這3門學科綜合研究的成果。在現(xiàn)代控制領域中，自適應控制、擴展卡爾曼濾波、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制等已經(jīng)得到廣泛應用。現(xiàn)代控制理論與全數(shù)字化控制技術相結合，成為高性能控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。DSP以其高速計算能力和特殊的硬件結構已經(jīng)在許多應用系統(tǒng)內取代了工控機和單片機，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