采用TMS320F2812DSP的交流永磁同步直線電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

　制造業(yè)中需要的線形驅(qū)動力，傳統(tǒng)的方法是用旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠的方式提供。實踐證明，在許多高精密、高速度場合，這種驅(qū)動已經(jīng)顯露出不足。在這種情況下直線電機應(yīng)運而生。直線電機直接產(chǎn)生直線運動，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，動力是在氣隙磁場中直接產(chǎn)生的，可獲得比傳統(tǒng)驅(qū)動機構(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基礎(chǔ)上進行基于矢量變換控制的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。

2. 交流永磁同步直線電機工作原理

　　直線電機的工作原理上相當(dāng)于沿徑向展開后的旋轉(zhuǎn)電機。交流永磁同步直線電機通入三相交流電流后，會在氣隙中產(chǎn)生磁場，若不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向呈正弦分布。行波磁場與次級相互作用產(chǎn)生電磁推力，使初級和次級產(chǎn)生相對運動。圖1所示為開發(fā)設(shè)計的交流永磁同步直線電機。
 

3. 永磁同步直線電機矢量控制原理

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

　　直線電機初級的三相電壓（U、V、W相）構(gòu)成了三相初級坐標(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)電機矢量變換理論，設(shè)定兩相初級坐標(biāo)系（α-β軸系），由三相初級坐標(biāo)系到直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換稱為Clark變換，見式（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)電機的Park變換理論和兩電機結(jié)構(gòu)比較。由于電機運動部分的不同，故直線電機動子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機定子，直線電機定子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機動子。所以在旋轉(zhuǎn)電機中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在動子上，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系隨著電機轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)。在直線電機中，由運動相對性原理，動子的直線運動，可理解為定子相對于動子作反方向直線運動，因此“旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系”（實際上此坐標(biāo)系是直線運動的，應(yīng)稱之為直線運動坐標(biāo)系）則固定在定子上，和定子一起相對于動子作直線運動，如圖3所示。此時，直線電機動子向右作直線運動，其定子則相對于動子向左直線運動，固定在定子上的坐標(biāo)系也和定子一起相對于動子相對于動子向左運動。動子內(nèi)部的行波磁場相對于動子本身是向左運動，這樣站在固定在定子上的坐標(biāo)系上觀察此同步電機的行波磁場則是靜止的。于是讓d軸位于次級永磁體N極軸線上，q軸則超前d軸90?，也就是極距的1/4。θ由直線電機運動時動子所處的位置決定。

4．永磁同步直線電機控制系統(tǒng)設(shè)計

　　根據(jù)直線電機工作原理，采用矢量變換設(shè)計其控制驅(qū)動系統(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位定點高速數(shù)字信號處理器，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)換時間為80ns[4]。功率驅(qū)動部分采用IPM模塊， PWM頻率最高可達(dá)20K。
 

　　永磁同步直線電機驅(qū)動控制系統(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、控制過程顯示程序和中斷服務(wù)子程序5個部分。系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行初始化程序，實現(xiàn)對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；然后執(zhí)行主程序，開啟定時中斷、外部保護中斷及初始定位子程序；獲得動子準(zhǔn)確位置信息后，進入運行狀態(tài)，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序[5]。 系統(tǒng)的主要功能，包括電流大小的計算、速度位置信息和矢量變換，由中斷服務(wù)子程序來完成。根據(jù)系統(tǒng)運行原理設(shè)計其軟件結(jié)構(gòu)。圖5為系統(tǒng)運行程序圖：

　　系統(tǒng)中斷子程序圖如圖4所示：
 

6.結(jié)論

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

　　由于直線電機端部效應(yīng)及外部載荷直接加載等特點，使得對直線電機控制系統(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。必須采取合適的控制算法和控制策略，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高。因此直線電機控制理論有待于進一步深入的探討與研究。

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