直線電機(jī)控制系統(tǒng)中電流環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、直線電機(jī)控制系統(tǒng)中電流環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：直流直線電機(jī)不需要傳動機(jī)構(gòu)就能夠獲得直線運(yùn)動，具有良好的控制特 性，在短行程高頻精密加工場合中具有廣闊的應(yīng)用前景。文中主要針對直流直線 電機(jī)的控制系統(tǒng)電流環(huán)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究。分析了直線電機(jī)的控制原理，設(shè)計(jì) 了電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件方案，基于SVPWM原理，對電流環(huán)伺服控制策略進(jìn)行 了研究，并對抑制推力波動和電機(jī)驅(qū)動中逆變器的死區(qū)補(bǔ)償問題做了一些探討， 最后詳細(xì)介紹了直線電機(jī)中電流環(huán)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：直線電路；控制系統(tǒng)；電流環(huán)；優(yōu)化設(shè)計(jì)引言：相比于旋轉(zhuǎn)電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)相結(jié)合的傳統(tǒng)直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)，直線電機(jī)具有加速 度大、控制精度高和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此在精密

2、激光設(shè)備等高精密設(shè)備中，直線 電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值，在高精度的永磁同步直線電 機(jī)(permanent magnet linear synchronous motor， PMLSM)驅(qū)動控制系統(tǒng)中，主 要包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)3個(gè)控制環(huán)節(jié)，電流環(huán)作為最內(nèi)環(huán)節(jié)，將控制系 統(tǒng)與電機(jī)單元銜接起來，是電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，特別是應(yīng)用在光刻機(jī) 工件臺中的直線電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，具有較高的位置環(huán)帶寬才能提高系統(tǒng)的跟蹤 精度，因此電流環(huán)需要更高的動態(tài)性能。一、概述1、分類直線電機(jī)分為直線直流電動機(jī)、直線感應(yīng)電動機(jī)、直線同步電動機(jī)、直線步 進(jìn)電動機(jī)、直線壓電電動機(jī)、直線磁阻電動機(jī)

3、。目前使用比較廣泛的是直線感應(yīng) 電動機(jī)和直線同步電動機(jī)。直線同步電動機(jī)雖然比直線感應(yīng)電機(jī)工藝復(fù)雜、成本 較高，但是效率較高、次級不用冷卻、控制方便，更容易達(dá)到要求的性能。因此 隨著釹鐵硼永磁材料的出現(xiàn)和發(fā)展，永磁同步電機(jī)已成為主流。在數(shù)控設(shè)備等需 要高精度定位的場合，基本上采用的都是永磁交流直線同步電動機(jī)。2、直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)控制策略現(xiàn)狀直線電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)必須滿足高速度、高精度的要求，這就要求控制系統(tǒng) 采取有效的控制策略抑制各種擾動。一個(gè)有效的控制策略應(yīng)該基于對對象模型結(jié) 構(gòu)宏觀的把握，從某一具體對象的特性出發(fā)，針對產(chǎn)生擾動的原因，采取相應(yīng)的 控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)有效控制。在滿足主要要求的同時(shí)

4、，兼顧伺服系統(tǒng)對指令的 跟蹤能力和抗干擾能力。3、直流直線電機(jī)的工作原理永磁式直流直線電機(jī)可以看作是由永磁旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)演變而來的。電機(jī)運(yùn)動 軸和杯套固定在一起，杯套上有纏繞線圈，線圈置于永磁體產(chǎn)生的磁場中，在線 圈的行程范圍內(nèi)，永久磁鐵給予它大致均勻的磁場。當(dāng)線圈中通入直流電流時(shí)， 載有電流的導(dǎo)體在磁場中就會受到電磁力的作用，在電磁力的作用下，電機(jī)運(yùn)動 軸直線運(yùn)動。4、電流環(huán)電流環(huán)指的是電流反饋系統(tǒng).一般指的是將輸出電流采用正反饋或負(fù)反饋的方 式接入處理環(huán)節(jié)的方法，主要為了通過提高電流的穩(wěn)定性能來提高系統(tǒng)的性能。二、電流環(huán)的控制策略在直線電機(jī)運(yùn)行中必須要同時(shí)滿足高速和高精度兩個(gè)要求，因此對直線

5、電機(jī) 的控制要求比較高，必須要采用有效的控制技術(shù)，直線電機(jī)的非線性、耦合性、 動子質(zhì)量和粘性摩擦系數(shù)的變化、負(fù)載的擾動、電源的波動等等，特別是端部效 應(yīng)引起的推力變化等等都增加了直線電機(jī)控制的難度，所以在電流環(huán)的設(shè)計(jì)中需 要注重控制推力波動補(bǔ)償以及克服死區(qū)影響的相關(guān)研究工作。直線電機(jī)的推力補(bǔ)償波動研究對于推力波動補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，一般可以選用先進(jìn)的控制算法，比如說 模糊控制、滑?？刂频鹊?，都是推力補(bǔ)償中比較先進(jìn)的控制算法；另外也可以對 于推力波動進(jìn)行模型進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，通常通過建立數(shù)學(xué)模型，常用的有解析法、 有限元分解計(jì)算法以及試驗(yàn)法三種，其中有限元分解計(jì)算法的使用頻率最高，有 限元分解機(jī)算法

6、是利用ANSYS等有限元計(jì)算工具進(jìn)行計(jì)算的，對于直線電機(jī)進(jìn)行 有限元分解計(jì)算，可以獲得電機(jī)的推力波動曲線，因?yàn)樗枰木_控制的直驅(qū) 電機(jī)在實(shí)驗(yàn)平臺中是作為負(fù)載系統(tǒng)的，所以我們采用有限元分析建模，然后把所 建立的模型轉(zhuǎn)變成補(bǔ)償表，形成一個(gè)具有查表補(bǔ)償功能的控制系統(tǒng)，在電機(jī)控制 控制器的軟件設(shè)計(jì)中加入了饋補(bǔ)償器，這樣負(fù)載系統(tǒng)穩(wěn)定的效果將會更有成效。直線電機(jī)的死區(qū)補(bǔ)償研究在電壓型脈寬調(diào)制（PWM）逆變電路中，為避免同同一橋臂上的開關(guān)器件的 直通，必須插入死區(qū)時(shí)間。然而，死區(qū)效應(yīng)是影響逆變器電壓和電流輸出的重要 非線性因素。對于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)而言，死區(qū)效應(yīng)會使得電機(jī)低速時(shí)的電壓及電流 發(fā)生嚴(yán)重畸變，引

7、起轉(zhuǎn)矩脈動和諧波，因此對逆變器的死區(qū)必須進(jìn)行補(bǔ)償。一旦設(shè)計(jì)好SVPw M波形生成電路和設(shè)定好死區(qū)時(shí)間，這些因素對電流的控 制的影響也是恒定的。本文設(shè)計(jì)的是采用F2812的事件管理器生成S vP WM波形 的，因此SvP WM波形的分辨率與其計(jì)數(shù)器位數(shù)和PWM調(diào)制周期有關(guān)，這個(gè)因 素幾乎不能改動：而SVPWM生成時(shí)的死區(qū)矢量導(dǎo)致電壓利用率降低，可以根據(jù) 工GBT器件的死區(qū)時(shí)間盡量設(shè)定最小值，此外還可以通過補(bǔ)償算法進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償。 軟件補(bǔ)償算法是采用純軟件的方法，在電機(jī)的控制程序中加入死區(qū)補(bǔ)償?shù)乃惴ā?這類補(bǔ)償算法也可以稱之為死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償法。在TMS320LF 2812中，死區(qū)補(bǔ)償脈 寬可以通過修改

8、事件管理器EV中的CMPRI、CMP RZ來實(shí)現(xiàn)?？刹捎萌缦卵a(bǔ)償方法：找出當(dāng)前狀態(tài)所處的矢量區(qū)間，假設(shè)所加入的死區(qū)時(shí) 間為T，然后根據(jù)PWM波形圖可以得到實(shí)際矢量作用順序與時(shí)間。同時(shí)根據(jù)伏 秒平衡原則，可以得到死區(qū)矢量可以等效為首矢量與第二矢量的合成矢量。即由 于死區(qū)的影響，矢量作用時(shí)間發(fā)生變化。找出相應(yīng)的時(shí)間值，就可以進(jìn)行補(bǔ)償。 在其它矢量區(qū)間時(shí)，根據(jù)此原則同樣可以得到死區(qū)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間。軟件實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的調(diào)節(jié)頻率是8（K 1 2 5 us），這個(gè)頻率是根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性和外 部噪聲發(fā)熱以及功率驅(qū)動模塊等特性決定的。從主程序中進(jìn)入電流環(huán)定時(shí)中斷的語句：PieVectTable.T1PINT=&Ev

9、aTimer1P_ISR；系統(tǒng)初始化函數(shù)void InitEv（void），設(shè)置T I周期定為500us，T1的控制寄 存器，比較使能，定時(shí)器使能，連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，設(shè)置pwm輸出13 5為高有 效，246為低有效。Void Initev （void）EvaRegs.T1PR=OxOBEBB； EvaRegs.T1CON.All=0 x0842； EvaRegs.T1CON=0 x3c00；EvaRegs.ACTRA.all=0 x666 ； EvaRegs.T1CNT=0 x0000 ；EvaRegs.DBTCONA.all=0 x088f ；EvaRegs.COMCONA=0 xA600；

10、圖1程序中clarke變換、pake變換、PT算法以及逆Clarke變換以函數(shù)的形式出現(xiàn)， 定時(shí)器1計(jì)數(shù)到設(shè)定的周期值，比較寄存器根據(jù)計(jì)算的時(shí)間值自動重新裝載，使 輸出的PWM波形占空比發(fā)生變化。圖1所示為加入死區(qū)補(bǔ)償之后Iq =246時(shí)，116V下，電流環(huán)U相電流波形。由上圖可以看出，加入了死區(qū)補(bǔ)償?shù)碾娏鳝h(huán)能夠有效改善電機(jī)控制的正弦波 形，基本消除波形畸變的現(xiàn)象，提高了逆變器的輸出性能。三、結(jié)束語本文詳細(xì)介紹了直線電機(jī)的電流環(huán)控制方案，以IT的DS P芯片對VS PWM實(shí) 現(xiàn)了全數(shù)字控制，并提出抑制推力波動的具體方法，通過對死區(qū)補(bǔ)償算法的改進(jìn)， 有效減少了電機(jī)死區(qū)時(shí)間的影響，消除了諧波，同時(shí)提升了電流輸出能力。所設(shè) 計(jì)的電流環(huán)具有更高的控制效率，動態(tài)性能得到改善，滿足直線電機(jī)高速度和高 精度的控制要求。參考文獻(xiàn)：魯光輝.霍爾電流傳感器的性能及應(yīng)用J1.四川文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)， 2007，17（2）： 40-42.陳偉，張