交流永磁同步直線電機(jī)介紹及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　制造業(yè)中需要的線形驅(qū)動(dòng)力，傳統(tǒng)的方法是用旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠的方式提供。實(shí)踐證明，在許多高精密、高速度場(chǎng)合，這種驅(qū)動(dòng)已經(jīng)顯露出不足。在這種情況下直線電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。直線電機(jī)直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，動(dòng)力是在氣隙磁場(chǎng)中直接產(chǎn)生的，可獲得比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高幾倍的定位精度和快速響應(yīng)速度。

本文是在我系研制的交流永磁同步直線電機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行基于矢量變換控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2. 交流永磁同步直線電機(jī)工作原理

　　直線電機(jī)的工作原理上相當(dāng)于沿徑向展開(kāi)后的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。交流永磁同步直線電機(jī)通入三相交流電流后，會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，若不考慮端部效應(yīng)，磁場(chǎng)在直線方向呈正弦分布。行波磁場(chǎng)與次級(jí)相互作用產(chǎn)生電磁推力，使初級(jí)和次級(jí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖1所示為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的交流永磁同步直線電機(jī)。
 

3. 永磁同步直線電機(jī)矢量控制原理

　　由于矢量控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，相比較標(biāo)量控制，在很快的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。經(jīng)過(guò)30多年工業(yè)實(shí)踐的考驗(yàn)、改進(jìn)與提高，目前已經(jīng)達(dá)到成熟階段[3]，成為交流伺服電機(jī)控制的首選方法。因此，直線電機(jī)采用了交流矢量控制驅(qū)動(dòng)的方法。
 

　　直線電機(jī)初級(jí)的三相電壓（U、V、W相）構(gòu)成了三相初級(jí)坐標(biāo)系（a，b，c軸系），其中的三相繞組相角相差120?，即在水平方向上互差1/3極距。參照旋轉(zhuǎn)電機(jī)矢量變換理論，設(shè)定兩相初級(jí)坐標(biāo)系（α-β軸系），由三相初級(jí)坐標(biāo)系到直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換稱為Clark變換，見(jiàn)式（1）。

　　從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換稱為Park變換，見(jiàn)式（2）。反之稱Park逆變換。

　θ是d軸與 軸的夾角。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的Park變換理論和兩電機(jī)結(jié)構(gòu)比較。由于電機(jī)運(yùn)動(dòng)部分的不同，故直線電機(jī)動(dòng)子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子，直線電機(jī)定子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)子。所以在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在動(dòng)子上，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)。在直線電機(jī)中，由運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理，動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng)，可理解為定子相對(duì)于動(dòng)子作反方向直線運(yùn)動(dòng)，因此“旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系”（實(shí)際上此坐標(biāo)系是直線運(yùn)動(dòng)的，應(yīng)稱之為直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系）則固定在定子上，和定子一起相對(duì)于動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。此時(shí)，直線電機(jī)動(dòng)子向右作直線運(yùn)動(dòng)，其定子則相對(duì)于動(dòng)子向左直線運(yùn)動(dòng)，固定在定子上的坐標(biāo)系也和定子一起相對(duì)于動(dòng)子相對(duì)于動(dòng)子向左運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子內(nèi)部的行波磁場(chǎng)相對(duì)于動(dòng)子本身是向左運(yùn)動(dòng)，這樣站在固定在定子上的坐標(biāo)系上觀察此同步電機(jī)的行波磁場(chǎng)則是靜止的。于是讓d軸位于次級(jí)永磁體N極軸線上，q軸則超前d軸90?，也就是極距的1/4。θ由直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)子所處的位置決定。

4．永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)直線電機(jī)工作原理，采用矢量變換設(shè)計(jì)其控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　控制器采用DSP處理器，選用TI公司的TMS320F2812 DSP。它是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)高速數(shù)字信號(hào)處理器，150MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短至6.67ns，內(nèi)置12位的AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns[4]。功率驅(qū)動(dòng)部分采用IPM模塊， PWM頻率最高可達(dá)20K。
 

　　永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示

5.軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)軟件包括軟硬件初始化程序、主程序、初始定位子程序、控制過(guò)程顯示程序和中斷服務(wù)子程序5個(gè)部分。系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行初始化程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測(cè)；然后執(zhí)行主程序，開(kāi)啟定時(shí)中斷、外部保護(hù)中斷及初始定位子程序；獲得動(dòng)子準(zhǔn)確位置信息后，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序[5]。 系統(tǒng)的主要功能，包括電流大小的計(jì)算、速度位置信息和矢量變換，由中斷服務(wù)子程序來(lái)完成。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行原理設(shè)計(jì)其軟件結(jié)構(gòu)。圖5為系統(tǒng)運(yùn)行程序圖：

　　系統(tǒng)中斷子程序圖如圖4所示：
 

6.結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的算法程序已經(jīng)初步調(diào)試成功，能夠?qū)崿F(xiàn)基本運(yùn)行，證明軟硬件設(shè)計(jì)的正確性。圖5所示為部分調(diào)試結(jié)果

　　由于直線電機(jī)端部效應(yīng)及外部載荷直接加載等特點(diǎn)，使得對(duì)直線電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定提出了較高要求。為提高其控制的魯棒性，其算法還有待于繼續(xù)改進(jìn)。必須采取合適的控制算法和控制策略，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高。因此直線電機(jī)控制理論有待于進(jìn)一步深入的探討與研究。

　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：分析了永磁同步直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的矢量變換理論的區(qū)別之處，并在此基礎(chǔ)上基于TMS320F2812 DSP實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)。