多種干擾對(duì)同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響

丁海波（中國船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州　225001）

多種干擾對(duì)同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響

丁海波
（中國船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225001）

受原有滾珠絲杠高速進(jìn)給系統(tǒng)的限制，基于普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)基礎(chǔ)上研制的直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)了高速高精運(yùn)動(dòng)的控制，但是在該系統(tǒng)中還未配置相應(yīng)的緩沖操作，導(dǎo)致同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)很容易受到多種干擾的影響。如果直線電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)行過程中的任一運(yùn)動(dòng)部件受到影響就會(huì)出現(xiàn)問題，難以控制高速高精運(yùn)動(dòng)。因此研究多種干擾對(duì)同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響，具有非常重要的意義。

直線電機(jī)；伺服系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)性能

0　引言

集成電路封裝、紡織機(jī)械產(chǎn)品、數(shù)控高速加工與工藝、雷達(dá)跟蹤產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域均應(yīng)用到高速高精運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)得到社會(huì)的廣泛關(guān)注，對(duì)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展具有極大的促進(jìn)作用。但是隨著對(duì)高速高精運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究的不斷加深，逐漸發(fā)現(xiàn)一些問題，其中最主要的就是外部干擾［1］。本研究在對(duì)直線電機(jī)伺服系統(tǒng)研究、分析的基礎(chǔ)上，闡述了接地誤差、電壓波動(dòng)與諧波、負(fù)載波動(dòng)、傳感器誤差及負(fù)載波動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾，并以某一典型直線電機(jī)作為參考，通過仿真及實(shí)驗(yàn)為研究提供可靠的依據(jù)。

1永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究

旋轉(zhuǎn)電機(jī)是直線電機(jī)形成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在一定程度上視為沿徑向?qū)⑿D(zhuǎn)電機(jī)剖開并展平的結(jié)果。本研究參考永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)工作原理，從運(yùn)動(dòng)方程、磁鏈方程及電壓方程等方面對(duì)直線電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

（1）直線電機(jī)電壓方程式：

在上述直線電機(jī)電壓方程中，角速度表示為Xr，線速度為Pv/S即Xr，轉(zhuǎn)子相電阻表示為Rs，微分算子表示為p，極距表示為S，id、ud、Kd分別為d軸的電流、電壓和磁鏈，iq、uq、Kq分別為q軸的電流、電壓和磁鏈。

（2）直線電機(jī)磁鏈方程式：

在上述直線電機(jī)磁鏈方程式中，永磁磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子繞組相交鏈的磁鏈表示為KPM，電機(jī)中的直軸（d軸）電感和交軸（q軸）電感表示為L(zhǎng)S。

（3）直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式：

電磁轉(zhuǎn)矩公式為：

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為：

在式（5）、（6）中：粘滯摩擦系數(shù)表示為B，負(fù)載阻力標(biāo)示為Fl，動(dòng)子和動(dòng)子負(fù)荷總能量表示為M。若將動(dòng)子線速度用v表示，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)用Ke表示，可以得出以下公式：

根據(jù)永磁同步直線電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式及運(yùn)動(dòng)方程，可以得出：

通過對(duì)式（7）、（8）的綜合變形可得：

以上述整理所得的公式為基礎(chǔ)，當(dāng)粘滯摩擦系數(shù)設(shè)為零的情況下，實(shí)現(xiàn)多IP疊加，研究電流滯環(huán)跟蹤逆變器控制［2］。同以往PI控制結(jié)構(gòu)相比，在此基礎(chǔ)上形成的IP控制的抗負(fù)載干擾性能更強(qiáng)，縮小了波動(dòng)范圍，其中Kv和Kvi分別表示IP速度環(huán)參數(shù)。永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)示意圖詳見圖1。

圖1　永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)示意圖Fig.1 Permanent magnet synchronous linear motor servo system schematic diagram

2　永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的電機(jī)參數(shù)計(jì)算

永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)框圖中各個(gè)參數(shù)的意義如下：電流控制量表示為Im（s），而電流跟蹤控制為Im（s）-iq（s）的過程，電流增益及電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)分別為Kcf和Tcf，電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為Kpc，電流反饋回路和逆變放大器的傳遞函數(shù)通過Kcf/（1+Tcfs）和KPWM/（1+TPWMs）來表示［3］。

選取丹納赫kollmorgen Servostar系列驅(qū)動(dòng)器、IL12-050A1型動(dòng)子、MW0500256型定子及kollmorgen的直線電機(jī)對(duì)同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行仿真，可設(shè)定永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)框圖中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的數(shù)值：

若使上式中的Kcf及KpcKPWM的數(shù)值大小均設(shè)置為10，Kv的可選取范圍為1～20，而Kvi的值為20。

3　干擾同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的主要因素

干擾同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的主要因素有：①電磁干擾、接地誤差干擾伺服系統(tǒng)；②電壓波動(dòng)、諧波對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾；③負(fù)載波動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾［5］；④傳感器誤差對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾。在本文中著重對(duì)④的干擾進(jìn)行詳細(xì)說明。

（1）傳感器與電流采樣電路方案設(shè)計(jì)。同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)達(dá)到高速高精運(yùn)動(dòng)的前提是要擁有高精度傳感器，長(zhǎng)光柵、圓光柵等高精度角度儀器中，對(duì)計(jì)數(shù)計(jì)算速度、分辨率等要素有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于光柵傳感器來說，雖然制作過程中對(duì)精度進(jìn)行了明確的定位，然而也有可能在組裝或運(yùn)行的環(huán)節(jié)出現(xiàn)一些問題，存在傳感器誤差的問題，必然會(huì)對(duì)直流電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)光柵傳感器的誤差范圍較小時(shí)，其雖然能夠維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，繼續(xù)發(fā)揮功能，但是還是會(huì)使反饋系統(tǒng)存在一些誤差，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)輸出受干擾。

因?yàn)椴蓸拥木群退俣戎苯訉?dǎo)致整個(gè)電流環(huán)的運(yùn)算精度，從而直接對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。型號(hào)為lts25-np。其具體特點(diǎn)和性能參數(shù)如下：原邊額定電流有效值ipn：25a；原邊電流測(cè)量范圍ip：0～±80a；供電電壓：+5v；輸出電壓vout：2.5±0.625v；轉(zhuǎn)換率kn=np：ns為：1：2000；總精度：±0.2%；線性度：小于0.1%；反應(yīng)時(shí)間：小于500ns。

該傳感器有正極（+5）、測(cè)量端（out）及地（0）三個(gè)管腳。其工作原理如下：該款傳感器是閉環(huán)霍爾電流傳感器，使用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的 （或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。當(dāng)電流流過一根長(zhǎng)的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨(dú)并接一只1μf的退耦濾波電容。

在本系統(tǒng)中，由兩個(gè)lem模塊檢測(cè)a相和b相的電流。在實(shí)際調(diào)試中，由于經(jīng)過傳感器出來的電流信號(hào)有高次偕波及其它干擾信號(hào)，因此必需要設(shè)計(jì)濾波器把高次偕波及其它干擾信號(hào)抑制掉。結(jié)合實(shí)際情況考慮，本文設(shè)計(jì)了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測(cè)電路。

在開關(guān)模式控制下，相電流信號(hào)含有需要濾出的高次諧波。設(shè)計(jì)中，首先利用pspice軟件對(duì)濾波器進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)［2］，經(jīng)過仿真驗(yàn)證后，確定采用二階的巴特沃斯濾波器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)利用電流傳感器檢測(cè)電流，經(jīng)濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0～3v的電壓信號(hào)送入dsp的a/d引腳。

電流檢測(cè)及模擬二介低通濾波器設(shè)計(jì)電路中的二階巴特沃斯濾波器 （虛線框內(nèi)所示）的幅頻特性曲線，通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，截至頻率為300hz，衰減斜率為-40db/dec。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，pwm頻率為15khz，死區(qū)時(shí)間為3μs，電流環(huán)采樣周期為67μs，速度環(huán)采樣周期為0.67ms，速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實(shí)驗(yàn)控制一臺(tái)8極的永磁同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)，其參數(shù)為：額定功率：1.88kw，額定轉(zhuǎn)速：2500r/min，額定電流：7.5a，額定轉(zhuǎn)矩：7.5nm，額定電壓：220v。電機(jī)分別在 10r/min、200r/min、1000r/min、2000r/min且速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpv=0.5，kiv=0.02；電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpi=0.2，kii=0.02時(shí)的起動(dòng)—停止過程的轉(zhuǎn)速曲線分別如圖2～5所示。

從圖2～5所示的實(shí)驗(yàn)波形可看出當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在速度電流閉環(huán)狀態(tài)下，可迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差都很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

圖2　10r/min起動(dòng)-停止曲線Fig.2 10r/min start-stop diagram

圖3　200r/min起動(dòng)-停止曲線Fig.3 200r/min start-stop diagram

圖4　1000r/min起動(dòng)-停止曲線Fig.4 1000r/min start-stop diagram

圖5　2000r/min起動(dòng)-停止曲線Fig.5 2000r/min start-stop diagram

4　直線電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的仿真與試驗(yàn)

為了更清晰的顯示不同干擾因素對(duì)直線電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性的影響，下面主要進(jìn)行了一些仿真和試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中系統(tǒng)模擬輸入端電壓為-10V—+10V，電機(jī)速度最大值為2125m/s，當(dāng)輸入端電壓為+10V時(shí)，相應(yīng)正方向速度為2125m/s，該仿真將輸入速度設(shè)為10m/s。，詳見圖6。

（1）電壓波動(dòng)、諧波對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾仿真。進(jìn)行仿真時(shí)，將施加uq的干擾設(shè)置為-5%uq～+5%uq，結(jié)果顯示：kv為最小值時(shí)，即為1～5時(shí)，誤差最大，而kv為最大值時(shí)，即為10～20時(shí)，誤差最小，kv為最小值時(shí)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出詳見圖6。圖中30～40s時(shí)施加電壓擾動(dòng)，輸出變化為0.9m/s～1.1m/s。

（2）電磁干擾、接地誤差對(duì)伺服系統(tǒng)的仿真。試驗(yàn)中系統(tǒng)模擬輸入端感應(yīng)電壓同接地誤差值為30mV，相應(yīng)輸入速度為0.00675m/s，在30～40s時(shí)刻疊加到圖7中的輸入端，仿真結(jié)果詳見圖8。在30mV疊加誤差中的結(jié)果顯示，輸出速度波動(dòng)范圍為0.993～1.007m/s。

（3）負(fù)載波動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾仿真。當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)，在 30～40s時(shí)受到矩形波外力擾中值為10N，系統(tǒng)輸出仿真結(jié)果詳見圖9，輸出值變化范圍為0.93～1.07m/s。

（4）傳感器誤

圖6　電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的干擾Fig.6 System interfered by voltage fluctuations

圖7　電磁干擾、接地誤差對(duì)系統(tǒng)輸出的干擾Fig.7 System output interfered byelectromagnet interference and earth error

圖8　負(fù)載波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的干擾Fig.8 System output interfered by load fluctuation

圖9　傳感器誤差對(duì)系統(tǒng)輸出的影響Fig.9 System output interfered by sensor error

差對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾仿真。當(dāng)傳感器存在1%的誤差時(shí)，圖6中反饋回路中疊加誤差范圍為-0.01～+0.01m/s，系統(tǒng)的輸出結(jié)果詳見圖9。在30～40s時(shí)受到誤差影響，導(dǎo)致輸出誤差增大，范圍為-0.012～+0.012m/s。

5　結(jié)束語

本研究在對(duì)直線電機(jī)伺服系統(tǒng)研究、分析的基礎(chǔ)上，闡述了接地誤差、電壓波動(dòng)與諧波、負(fù)載波動(dòng)、傳感器誤差及負(fù)載波動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾，并以某一典型直線電機(jī)作為參考，通過仿真及實(shí)驗(yàn)為研究提供可靠的依據(jù)。

［1］張從鵬，劉強(qiáng).直線電機(jī)氣浮精密定位平臺(tái)設(shè)計(jì)與控制［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，2.

［2］王明杰，程志平，焦留成.永磁直線電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算分析及有限元驗(yàn)證［J］.微特電機(jī)，2014，7.

［3］韓江，蘇志遠(yuǎn).直線電機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊位置控制研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，1.

［4］蔡滿軍，趙成圓.永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制［J］.微特電機(jī)，2014，6.

［5］張國柱，陳杰，李志平.直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊摩擦補(bǔ)償［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，1.

Multiple Interference on the Motion Performance of Synchronous Linear Motor Servo System

DING Hai-Bo
（723 Institute CSIC，Yangzhou Jiangsu 225001，China）

Restricted by the original high-speed ball screw feed system，the linear motor realized the high speed and high precision motion control which based on the general rotary motor，but in the system still don't configure corresponding buffer action，which make the synchronous linear motor servo system easily affected by multiple interference.It can be problem if any moving parts affected in the process of linear motor servo system，it is difficult to control the high speed and high precision motion.So it have great significance to study the multiple interference on the motion performance of synchronous linear motor servo system.

linear motor；servo system；motion performance

TH-39

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.042

1002-6673（2015）05-113-04

2015-06-30

丁海波（1989-），男，江蘇南通人，大學(xué)本科，助理工程師。研究方向：機(jī)電一體化。