帶HALL直線電動機的低速驅(qū)動調(diào)整與優(yōu)化技術(shù)

陳東生 吉 方 藍 河

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

與旋轉(zhuǎn)電動機相比，直線電動機驅(qū)動消除了中間傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、摩擦小、無齒隙誤差、響應(yīng)快、精度高，但直線電動機中間環(huán)節(jié)的消除使得外部干擾無衰減地直接作用于直線電動機，同時采用靜壓支撐，其系統(tǒng)阻尼系數(shù)很小，這使得定位機構(gòu)對振動干擾更加敏感。此外，直線電動機存在固有的推力波動，是影響伺服控制精度的主要原因，這種推力波動將引起速度波動、機械振動和噪聲，甚至導致系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，需要從系統(tǒng)設(shè)計、硬件性能、伺服精密調(diào)整方面來提高和優(yōu)化直線電動機的驅(qū)動特性與控制系統(tǒng)的魯棒性，減小外來擾動對伺服系統(tǒng)的影響，提高伺服系統(tǒng)剛度;提高靜壓支撐下直線電動機驅(qū)動的直線平臺的高動態(tài)特性、高精度定位、高穩(wěn)態(tài)特性。本文就在氣浮支撐的直線電動機驅(qū)動的設(shè)計與調(diào)試過程中遇到的問題進行分析，并提出解決辦法，以供大家借鑒。

1 直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成

本直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)用于驅(qū)動氣浮支撐的精密定位臺，需要實現(xiàn)平臺的高精度定位。直線電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用高精度直線光柵尺進行閉環(huán)位置檢測，整個系統(tǒng)設(shè)計為基于觀察器的三層控制模式:即采用具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

系統(tǒng)采用無鐵芯直線電動機，光柵尺采用HEIDENHAIN公司的敞開式高精度光柵尺，其分辨率為0.005 μm，將光柵尺位置信號直接反饋到驅(qū)動器，在驅(qū)動器內(nèi)部實現(xiàn)全數(shù)字的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制，電流環(huán)通過PWM控制信號到IGBT功率單元，然后通過U、V、W實現(xiàn)對電動機的驅(qū)動。驅(qū)動器通過HALL信號進行換相。

2 HALL換相的故障診斷

系統(tǒng)采用的測量元件為增量式光柵尺。增量式光柵尺分為帶換相信號的增量式編碼器和普通的增量式編碼器，帶換相信號的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號外，還具備互差120°的電子換相信號UVW，UVW各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電動機轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)一致。本系統(tǒng)的增量式光柵尺是普通增量式，它提供兩相正交方波脈沖輸出信號A和B，以及零位信號Z，它不具備UVW相位信息，而Z信號也只能反映一圈內(nèi)的一個點位，不具備與電動機相位與轉(zhuǎn)子相位對齊潛力，為此，電動機的換相是通過直線電動機動子上的固定HALL傳感器來進行換相。

在直線電動機的性能調(diào)整中遇到了一個棘手的問題，直線電動機無法換相。其故障現(xiàn)象:系統(tǒng)配置過程中出現(xiàn)故障，報警提示為HALL Commutation error，應(yīng)該是HALL的換相故障。

故障診斷分析:

（1）對于伺服系統(tǒng)的調(diào)試，首先想到的是硬件接線錯誤導致HALL的相序有誤。最先排查的就是硬件接線，檢查接線是否錯誤，在仔細核對HALL傳感器的接口信號與驅(qū)動器的接口信號匹配關(guān)系、測試線纜沒有斷點后，確認接線沒有問題，故障原因不是接線的問題。

（2）硬件接線沒有問題的話，考慮是否是軟件上故障，即設(shè)置參數(shù)不對，驅(qū)動器的參數(shù)配置錯誤導致的。電動機在進行反饋系統(tǒng)設(shè)置時，需要設(shè)置編碼器分辨率、換相方式、換相角度、換相的方向、傳感器極性、傳感器Z信號是否有效等。但通過軟件手冊仔細分析并嘗試多次更改參數(shù)，其故障依然存在。

（3）軟件與電氣連接都沒有問題，考慮是否是電氣信號干擾導致HALL信號不正常，導致無法進行換相角檢測。將其他電氣系統(tǒng)均關(guān)閉，同時驅(qū)動器的調(diào)試也沒有給主電源上電，只是驅(qū)動24 V給電。另外，光柵的線纜、HALL的信號電纜均采用的原裝電纜，是不存在干擾問題的。

（4）參數(shù)配置沒錯、硬件接線也是對的，要么是HALL傳感器沒有信號，要么驅(qū)動器沒有檢測到信號。我們首先檢測HALL是否正常，即HALL傳感器是否具有硬件故障。圖2是在慢速推動帶直線電動機的平臺后，用示波器對3個HALL:HA、HB、HC的信號進行檢測后得到的波形。如圖2所示。HA與HC的波形幅值較小，HA約為0.8 V，HC約為0.7 V，并且有波動，難道是HALL傳感器的硬件故障，導致HALL信號幅值太小而無法檢測?

（5）考慮通過驅(qū)動器能否檢測到HALL信號，通過驅(qū)動器的調(diào)試軟件來監(jiān)測其HALL信號，驅(qū)動器內(nèi)可以檢測到該信號，并且與示波器的HALL信號檢測對比，雖然波形不是太好，但信號是有輸出的，并且匹配得也很好。到此就可以排除HALL傳感器的硬件故障，同時排除了驅(qū)動器信號監(jiān)測故障。

（6）到此我們得出HALL信號是沒有問題的，但為何會報警HALL換相故障呢?

電動機的換相是需要3個HALL傳感器:HA、HB、HC，它們按電角度120°進行分布，其供電電源是直流5 V電源，驅(qū)動器通過對3個HALL信號的組合來知道電動機所處的位置，以決定何時對UVW進行換相，那么就只有HALL的信號位置與UVW之間的位置關(guān)系不對會導致該故障。

將3個阻值相等的電阻（2 KΩ）接成星型，如圖3所示，然后將星型連接的3個電阻分別接入電動機的UVW三相繞組引線，以示波器觀察電動機U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電動機的U相反電勢波形;通過測量 U、V、W三端與公共端之間的波形和HA、HB、HC之間的波形關(guān)系。如圖4～6所示。

從這3張波形圖中發(fā)現(xiàn)，HALLA一出現(xiàn)上升沿，V相電壓開始上升;HALLB一出現(xiàn)上升沿，U相電壓開始上升;HALLC一出現(xiàn)上升沿，W相電壓開始上升;它驗證了直線電動機的HALL與電動機的相位關(guān)系是沒有錯的。

（7）到此能夠考慮到的故障原因都已經(jīng)排除了，但問題仍然沒有得到解決。

嘗試是否是廠商提供的參數(shù)與配置有問題，將HA與HB、HC之間的信號更換一下，當將HA與HB更換后，發(fā)現(xiàn)報警消失了，但無法伺服enable，在某個位置可以enable，但運動到HALL位置有變化的地方就又會報錯。從這里可以分析得到還是HALL之間的關(guān)系不對。由于我們無法知道驅(qū)動器內(nèi)部如何去匹配這個關(guān)系，因此再次閱讀分析其技術(shù)手冊，發(fā)現(xiàn)HALL是可以轉(zhuǎn)換方向的。通過對hall轉(zhuǎn)換方向設(shè)置后，報警消失了，但仍然無法伺服 enable，報Comutation error;從設(shè)置中發(fā)現(xiàn)還可以轉(zhuǎn)換comutation的方向，轉(zhuǎn)換換相方向后，伺服enable有效了。

（8）但該設(shè)置下運動速度較高時仍然會出現(xiàn)報警，報電流過大錯誤。這是由于換相角不準確的緣故，可以通過自動設(shè)置換相角，但自動設(shè)置無法通過。因此考慮采用手動來設(shè)置換相角，通過前面的分析，在HALLA一出現(xiàn)上升沿，V相電壓開始上升;HALLB一出現(xiàn)上升沿，U相電壓開始上升;HALLC一出現(xiàn)上升沿，W相電壓開始上升;可以判斷它的換相角應(yīng)該是0°。將換相角設(shè)置完成后，在快速運行時通過電流監(jiān)測，運行過程中電流變化不大。至此，HALL調(diào)試的故障得以全部排除。

3 低速驅(qū)動性能優(yōu)化

直線電動機的低速驅(qū)動性能優(yōu)化的最主要目的就是讓機電系統(tǒng)在低速下匹配達到最佳，以獲得最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。通過調(diào)試中遇到的問題，總結(jié)出直線電動機的驅(qū)動性能主要受以下幾方面的影響。

（1）測量元件分辨率

直線電動機的測量反饋系統(tǒng)一般是光柵尺。一般來講，分辨率越高，直線電動機的反饋輸入越準確，其控制的精度就越高。如圖7所示，在分辨率為50 nm下速度波動達到了0.3 mm/min，而當分辨率為5 nm時，速度波動減小到0.07 mm/min。

（2）PWM控制的開關(guān)頻率

在數(shù)字控制交流伺服系統(tǒng)中，制約電流環(huán)帶寬的因素主要包括功率器件的開關(guān)頻率和A/D采樣時間、計算處理、PWM占空比更新等數(shù)字控制延時。提高PWM控制的開關(guān)頻率會大大提高系統(tǒng)的伺服帶寬，同時可以減小電流的紋波。如圖8，32 kHz下的電流紋波比8 kHz的要小得多。同時它能減小低速運行時的波動。

（3）外界力的干擾

直線電動機中間環(huán)節(jié)的消除使得外部干擾無衰減地直接作用于直線電動機，同時采用靜壓支撐，其系統(tǒng)阻尼系數(shù)很小，這使得定位機構(gòu)對振動干擾更加敏感。此外，直線電動機存在固有的紋波推力擾動、齒槽推力波動、端部效應(yīng)擾動、永磁體磁鏈諧波擾動以及外界負載阻力擾動，它是影響伺服控制精度的主要原因。這些波動將引起速度波動、機械振動和噪聲，甚至導致系統(tǒng)失穩(wěn)。

比如導軌的密封風琴罩對直線電動機的速度波動影響很大。如圖9，速度曲線中的尖峰就是由風琴罩的移動引起的。主軸在沒有做動平衡前，在390 r/min的速度下對直線電動機的速度波動影響達到了2.4 mm/min，而此時直線電動機的運行速度為零。如圖10所示。

（4）先進伺服算法

采用高級控制算法，如采用帶前饋的PID伺服控制算法、諧波消除控制、疊代學習控制、慣性阻尼控制等可以提高直線電動機的控制精度。如圖11，慣性阻尼控制策略是在控制算法中增加兩個阻尼前饋控制:速度前饋阻尼和電流前饋阻尼，它在控制算法中起到一個類似機械阻尼的作用，可以大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能、增加速度穩(wěn)定性、縮短定位時間。迭代學習控制是控制器采集前段運動的數(shù)據(jù)，通過對對象參數(shù)的辨識來自動調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，并將其用于以后的運動控制中，通過迭代學習，其運動可以被不斷地學習與優(yōu)化，從而減小運動的跟隨誤差，提高動態(tài)精度。

4 結(jié)語

通過以上的調(diào)整分析，得出以下結(jié)論:

（1）直線電動機的驅(qū)動調(diào)試中HALL換相的調(diào)試是比較棘手的，需要在了解換相原理的基礎(chǔ)上對硬件性能和參數(shù)匹配進行仔細的分析與診斷。

（2）高分別率光柵尺反饋對提高直線電動機的低速性能是有益的。

（3）PWM開關(guān)頻率相對提高會減小電流紋波，同時減小控制電流的波動，提高速度波動精度。

（4）直線電動機低速下運行精度，外界力干擾的影響很大，尤其要提高機床自身的共振頻率、減小防護罩、外界振動對系統(tǒng)的影響。

（5）采用帶前饋的PID伺服控制算法、諧波消除控制、疊代學習控制、慣性阻尼控制等可以提高直線電動機的低速控制精度。

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