永磁直線同步電動(dòng)機(jī)矢量控制位置伺服系統(tǒng)

曹 勇，李華德

(1．遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001;2．北京科技大學(xué)，北京100083)

0引 言

機(jī)械制造工業(yè)中的高檔數(shù)控機(jī)床以高速、高精度為主要特征［1］，這取決于多個(gè)方面的技術(shù)支持，如快速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、先進(jìn)控制技術(shù)、高性能微電腦芯片、準(zhǔn)確快速的位置檢測(cè)等。由永磁直線同步電動(dòng)機(jī)(PMLSM)構(gòu)成的位置伺服系統(tǒng)不需要任何中間機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以從根本上實(shí)現(xiàn)電機(jī)與工作臺(tái)之間的零傳動(dòng)，具有響應(yīng)速度快、位置跟蹤準(zhǔn)確、效率高等優(yōu)點(diǎn)［2-3］，是實(shí)現(xiàn)高檔數(shù)控機(jī)床的重要基礎(chǔ)。

目前，永磁直線同步電動(dòng)機(jī)主要存在矢量控制方式［4］和直接推力控制方式［5］。就其本身特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，矢量控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，非常適合精確定位運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。直接推力控制要求使用在動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，并具有很大起動(dòng)力矩的場(chǎng)合，其不足在于砰砰控制結(jié)構(gòu)造成系統(tǒng)精度不高。本文以永磁直線同步電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行器，根據(jù)空間矢量解耦控制思想，建立磁場(chǎng)定向矢量控制下的三環(huán)直線伺服控制結(jié)構(gòu)，搭建數(shù)字信號(hào)處理器及智能功率模塊數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成直線伺服系統(tǒng)周期位置跟蹤實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的直線位置跟蹤性能。

1直線位置伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

磁場(chǎng)定向控制(id=0)下，永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方程式:

式中:Fe為電磁推力;KF為推力系數(shù);id為d軸電流;iq為q軸電流。

磁場(chǎng)定向矢量控制下的永磁直線同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)為典型三環(huán)結(jié)構(gòu)，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，如圖1所示。直線位置伺服系統(tǒng)由永磁直線同步電動(dòng)機(jī)PMLSM、逆變器、PWM空間矢量調(diào)制器SVPWM、abc/dq坐標(biāo)變換器、dq/αβ坐標(biāo)變換器、位置比例P調(diào)節(jié)器、速度IP調(diào)節(jié)器、電流比例積分PI調(diào)節(jié)器、θe信號(hào)生成器等組成，電機(jī)直線位置信號(hào)由光柵尺獲得。

系統(tǒng)工作過(guò)程如下:直線位置反饋值d(t)與參考值dr(t)的差值送入位置比例P調(diào)節(jié)器，可以得到速度參考值vr(t)，該信號(hào)與速度反饋值v(t)相比較，并將差值送入速度IP調(diào)節(jié)器，得到q軸的參考電流值iqr(t)。由于該系統(tǒng)為磁場(chǎng)定向控制方式，因此與來(lái)自abc/dq坐標(biāo)變換器的反饋電流值相比較后送入電流比例積分PI調(diào)節(jié)器，然后經(jīng)過(guò)dq/αβ坐標(biāo)變換器得到αβ軸的參考電壓，由PWM空間矢量調(diào)制器SVPWM生成6路IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可以得到永磁直線同步電動(dòng)機(jī)PMLSM動(dòng)子三相繞組的供電信號(hào)。

圖1 直線伺服控制結(jié)構(gòu)

位置P調(diào)節(jié)器:

式中:kd為位置比例調(diào)節(jié)因子。

速度IP調(diào)節(jié)器:

式中，KsP和KsI為速度比例、積分調(diào)節(jié)因子。在該調(diào)節(jié)器中，將比例環(huán)節(jié)KsP移到反饋通路上，以充當(dāng)反饋補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

電流PI調(diào)節(jié)器:

式中:KcdP和Kcdl分別為d軸電流比例、積分調(diào)節(jié)因子，KcqP和KcqI分別為q軸電流比例、積分調(diào)節(jié)因子。

abc/dq坐標(biāo)變換器:

dq/αβ坐標(biāo)變換器:

電壓空間矢量脈寬調(diào)制器SVPWM如下:

電機(jī)動(dòng)子繞組的供電線路為三相IGBT逆變器形式，包含3個(gè)橋臂、6個(gè)開(kāi)關(guān)管。定義開(kāi)關(guān)函數(shù)Sx(x=a，b，c):當(dāng)上橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，Sx=1;當(dāng)下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，Sx=0。這樣，得到三相逆變器共有23=8種開(kāi)關(guān)模式，即8種基本電壓空間矢量:u(000)、u(001)、u(010)、u(011)、u(100)、u(101)、u(110)、u(111)，其中 u(000)和u(111)為零電壓矢量。同時(shí)構(gòu)成6個(gè)電壓工作扇區(qū)，通過(guò)將電壓uαr(t)和uβr(t)代入下式，得到如下扇區(qū)號(hào)定義:

式中:sign［x］為符號(hào)函數(shù)。

當(dāng) x＞0 時(shí)，sign［x］ =1;x＜0 時(shí)，sign［x］=0。

根據(jù)上面確定的扇區(qū)號(hào)，可以確定期望獲得的電壓合成矢量 uαβr=uαr+juβr，由組成該扇區(qū)的兩個(gè)電壓空間矢量及零矢量所構(gòu)成。

下面以u(píng)αβr位于第3扇區(qū)為例，說(shuō)明電壓空間矢量的作用時(shí)間。此時(shí)，uαβr為u(100)、u(110)及u(000)和u(111)4種矢量的合成作用。設(shè) Tαβ為uαβr作用的時(shí)間，T100為u(100)作用的時(shí)間，T110為u(110)作用的時(shí)間，T000和T111分別為u(000)和u(111)作用的時(shí)間，則滿足下面公式:

2直線伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

直線伺服系統(tǒng)硬件電路主要包含控制電路、功率驅(qū)動(dòng)主電路及檢測(cè)電路、人機(jī)界面和輔助電源電路四部分，如圖2所示。

圖2 直線伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由三相交流電源供電，整流、濾波、逆變及永磁直線同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)強(qiáng)電部分，DSP控制電路、功率器件驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、檢測(cè)電路、人機(jī)界面、輔助電源電路等構(gòu)成系統(tǒng)弱電部分。系統(tǒng)指令通過(guò)人機(jī)界面或上位PC機(jī)通過(guò)RS-232通信傳送給DSP控制器，DSP接收指令后與電機(jī)實(shí)際位置/速度進(jìn)行比較，由位置和速度調(diào)節(jié)算法及電機(jī)矢量控制算法共同完成脈寬調(diào)制PWM信號(hào)輸出，使直線電機(jī)位置跟蹤給定參考位置指令要求。

2．1 控制電路

選擇數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407作為系統(tǒng)控制核心。TMS320LF2407控制電路由DSP本身、時(shí)鐘電路、外部存儲(chǔ)器、串行通信、JTAG接口、EEPROM電路及PWM事件處理電路等組成。

(1)時(shí)鐘電路

采用一個(gè)10 MHz晶體振蕩器為整個(gè)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，晶振連接到DSP的XTAL1/CLKIN(123腳)和XTAL2(124腳)上。

(2)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展

外部擴(kuò)展2片RAM，型號(hào)為CY7C1021V，一片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一片作為調(diào)試階段的程序存儲(chǔ)器。CY7C1021V具有64 k*16位的存儲(chǔ)空間，存取速度為12 μs，供電電壓為 3．3 V。TMS320LF2407 內(nèi)部的程序空間與數(shù)據(jù)空間相互獨(dú)立，兩者片外部分的選通信號(hào)分別為和。

(3)串行通信

在現(xiàn)代教學(xué)模式下，教學(xué)的主題已經(jīng)由老師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生，老師只是起到引導(dǎo)的作用，要激發(fā)學(xué)生對(duì)酒店英語(yǔ)的學(xué)習(xí)欲望，挖掘?qū)W生自主性、創(chuàng)造性和實(shí)踐性的潛力，形成良好的課堂氛圍。教師可以模擬酒店情景，讓學(xué)生發(fā)揮不同的作用，使得教學(xué)更加生動(dòng)逼真，容易讓學(xué)生接受。

TMS320LF2407內(nèi)部包含串行通信接口SCI模塊，該模塊支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。通過(guò)SCI接口可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信功能。由于SCI接口的邏輯電平為3．3 V，因此采用3．3 V供電的串行通信模塊MAX3232來(lái)實(shí)現(xiàn)與RS-232的電平轉(zhuǎn)換。

(4)EEPROM電路

TMS320LF2407具有一個(gè)高速同步串行輸入輸出端口SPI，系統(tǒng)采用串行8K*8位的EEPROMX25650作為存儲(chǔ)單元。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，用于保存系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)、故障信息及要求備份的數(shù)據(jù)。

2．2功率驅(qū)動(dòng)主電路及檢測(cè)電路

(1)功率驅(qū)動(dòng)主電路

直線伺服系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)主電路為交-直-交電壓源型結(jié)構(gòu)，整流單元由日本三社公司的DF30AA120模塊構(gòu)成，最大平均電流為30A，二極管最大反向壓降為1 200 V，濾波單元由兩個(gè)1 000 μF/450 V電解電容串聯(lián)構(gòu)成，逆變單元由日本三菱智能功率模塊PM20CSJ060構(gòu)成，容量600 V/20 A。

來(lái)自TMS320LF2407事件管理器EVA模塊的PWM1-6信號(hào)，經(jīng)過(guò)電阻限流后控制高速光耦HCPL-4504的動(dòng)作，這樣得到已經(jīng)隔離且放大的IPM開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷。同時(shí)，IPM上橋臂保護(hù)信號(hào)輸出UFO、VFO、WFO和下橋臂公用保護(hù)信號(hào)輸出FO經(jīng)過(guò)或非門(mén)邏輯電路CD4078控制低速光耦PC817的動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生上面任意一種保護(hù)動(dòng)作后，產(chǎn)生功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷。

(2)動(dòng)子位置檢測(cè)

直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子位置采用英國(guó)雷尼紹RENISHAW直線光柵尺進(jìn)行檢測(cè)，主要由光柵RGS20-S和RGH22X讀數(shù)頭組成，其中RGH22X分辨率為1 μm，最大速度為 5 m/s，供電電源5 V，防護(hù)等級(jí)IP30。RGH22X讀數(shù)頭可以提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，通過(guò)TMS320LF2407中的事件管理模塊可以獲取直線電動(dòng)機(jī)的位置信息，其中QEP1和QEP2電路連接光柵尺正交編碼信號(hào)A和B，CAP3連接光柵尺參考信號(hào)。由于光柵尺輸出信號(hào)電平為5 V，因此在上面接口之間加入電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245A，以得到 TMS320LF2407可以接收的3．3 V電平下的正交編碼信號(hào)和參考信號(hào)。

(3)動(dòng)子三相電流檢測(cè)

直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子三相電流采用LTS 6-NP霍爾電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)。由于該電流傳感器內(nèi)部具有測(cè)量電阻(208．33 Ω)，因此可以將動(dòng)子交流相電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸出，模擬輸出電壓范圍為2．5±0．625 V，同時(shí)可以保證功率主電路與控制電路之間具有可靠的電氣隔離。

2．3 人機(jī)界面

人機(jī)界面作為伺服系統(tǒng)的上位機(jī)控制，主要為鍵盤(pán)與顯示設(shè)計(jì)，同時(shí)包含與TMS320LF2407之間的RS-232串行通信設(shè)計(jì)。其中，鍵盤(pán)可以設(shè)定直線位置、正反向移動(dòng)等功能，LED數(shù)碼管可以顯示一些運(yùn)行中的參數(shù)。

2．4輔助電源電路

整體輔助電源系統(tǒng)包含5 V、3．3 V、+12 V、-12 V及4路相互隔離的15 V電源，其中3．3 V電源為控制核心TMS320LF2407供電，+12 V和-12 V電源為運(yùn)算放大器OP07供電，4路15 V電源為智能功率模塊PM20CSJ060作驅(qū)動(dòng)電源，5 V電源為其他芯片及電路供電。其中4路相互隔離15V電源由三菱公司專用驅(qū)動(dòng)電源模塊M57120L和M57140-01實(shí)現(xiàn)。

直線伺服系統(tǒng)中除上面四部分硬件電路外，還包括直流電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)及其他I/O接口等，其中各種保護(hù)信號(hào)與IPM保護(hù)一同送入或非門(mén)邏輯電路CD4078，引起系統(tǒng)中斷。

3直線伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序?yàn)槟K化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，主要包含主程序、初始化程序及各種中斷服務(wù)程序。

3．1主程序模塊

系統(tǒng)進(jìn)入主程序后，首先禁止PWM信號(hào)的輸出，同時(shí)屏蔽TMS320LF2407中斷，然后進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序。初始化完成后，開(kāi)啟串行通信處理程序，等待通信中斷發(fā)生，即等待上位機(jī)指令。一旦串行口接收到數(shù)據(jù)就將串行通信標(biāo)志位置位，TMS320LF2407就執(zhí)行串行通信中斷服務(wù)子程序。

3．2定時(shí)器1中斷服務(wù)程序

當(dāng)定時(shí)器1產(chǎn)生下溢中斷申請(qǐng)時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。首先，采樣動(dòng)子三相繞組電流值及光柵尺輸出的正交編碼脈沖信號(hào)，并計(jì)算用于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換所使用的動(dòng)子磁場(chǎng)電角度值。由于伺服系統(tǒng)的外環(huán)采樣頻率比內(nèi)環(huán)采樣頻率低，因此設(shè)計(jì)兩級(jí)調(diào)節(jié)過(guò)程。若位置環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間到，則讀取動(dòng)子位置并與給定位置值相減，執(zhí)行位置調(diào)節(jié)計(jì)算，否則進(jìn)入速度調(diào)節(jié)模塊。同理，若速度環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間到，則計(jì)算直線速度并與位置調(diào)節(jié)器輸出值相減，執(zhí)行速度調(diào)節(jié)計(jì)算，否則進(jìn)入電流調(diào)節(jié)模塊。

當(dāng)程序進(jìn)入電流調(diào)節(jié)器后，說(shuō)明系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制部分。將前面采樣的動(dòng)子三相繞組電流值送入電流abc/dq坐標(biāo)變換模塊，此時(shí)需要使用動(dòng)子磁場(chǎng)電角度值并計(jì)算其正余弦值。然后經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)計(jì)算，送入電壓dq/αβ坐標(biāo)變換模塊，其輸出的結(jié)果執(zhí)行SVPWM計(jì)算，輸出逆變器所需的6路PWM控制信號(hào)。

電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM子程序模塊以u(píng)αr(t)和uβr(t)作為輸入變量。在每一個(gè) PWM 周期內(nèi)，通過(guò)子程序輸入變量 uαr(t)和 uβr(t)計(jì)算扇區(qū)號(hào)，同時(shí)采用多路分支程序結(jié)構(gòu)方式，在所確定的扇區(qū)內(nèi)計(jì)算下一個(gè)PWM周期的三個(gè)比較寄存器的裝載值，并送入到比較寄存器中。

4實(shí)驗(yàn)研究

直線伺服系統(tǒng)控制對(duì)象為美國(guó)PLATINUM DDL直線電動(dòng)機(jī)IL24-030A2，主要參數(shù)如下:峰值推力為480 N，持續(xù)推力為152 N，峰值電流為14．2 A，持續(xù)電流為 4．5 A，電阻為6．1 Ω，電感為1．28 mH，推力常數(shù)為33．7 N/A，線圈質(zhì)量為0．72 kg。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程要求直線伺服系統(tǒng)以1 s為周期，在0．2 m直線范圍內(nèi)做往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)。選擇位置調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kd=16，速度調(diào)節(jié)器參數(shù)為KsP=35、Ksl=800。圖3為直線位置響應(yīng)曲線，圖4為直線速度響應(yīng)曲線，圖5為q軸電流響應(yīng)曲線。

圖3 直線位置響應(yīng)曲線

圖4 直線速度響應(yīng)曲線

圖5 q軸電流響應(yīng)曲線

從實(shí)驗(yàn)曲線中可以看出，直線電動(dòng)機(jī)響應(yīng)過(guò)程中，動(dòng)子速度最大值達(dá)到2．6 m/s，q軸電流最大值達(dá)到9．3 A。動(dòng)子經(jīng)過(guò)0．2 s的響應(yīng)時(shí)間能夠達(dá)到0．2 m的直線參考位置，直線伺服系統(tǒng)具有良好的位置跟蹤能力。

［1］ 周凱，趙景山，譚仲毅．高速機(jī)床的交流直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［J］．機(jī)械制造，2003，41(461):17-19．

［2］ 郭慶鼎，孫宜標(biāo)，王麗梅．現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2006．

［3］ 舒志兵．交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2006．

［4］ Bon G G，Kwang H N．A vector control scheme for a PM linear synchronous motor in extended region［J］．IEEE Transactions on industry application，2003，39(5):1280-1286．

［5］ 鄒積浩，朱善安．基于電壓預(yù)測(cè)的直線永磁同步電機(jī)直接推力控制［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(12):1262-1266．