OA自动化永磁直线同步电机伺服器的设计与研究自动化 精品.docx

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永磁直线同步电机的设计与研究

摘要

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动，而不需要通过任何中间机构的新型电机，具有广阔的应用和发展前景。

所以，对直线电机及其位置伺服控制系统的研究，已成为当前各国研究的热点和前沿。

近年来，随着永磁材料性能的快速发展，永磁直线同步电机得到更广泛的应用。

与普通的直线电机相比，具有效率高、输出力矩大、体积小、易于控制等优点，极大地提高了进给系统的快速响应性和运动精度，已成为新一代超精密机床中最具有代表的技术。

永磁直线同步电机伺服控制系统将是当前和今后直线电机发展应用的一个方向。

本文主要针对基于DSP的永磁直线同步电机的伺服控制系统进行研究，并给出系统设计的整体方案，设计硬件电路，完成软件部分的编写。

文中先通过对永磁同步直线电机的内部结构和工作原理分析，建立了一种以电流空间矢量为基础的数学模型，并在此基础上对转子磁链定向矢量控制、空间矢量PWM波形的产生、电流环、速度环、位置环等进行研究，设计整个系统的软硬件。

在硬件方面，对系统功能模块化，使用的DSP芯片是TI公司的TMS320F2812芯片，并采用以TMS320F2812芯片为硬件结构的核心的伺服控制系统方案,接着对控制系统方案的各个功能模块进行了具体的设计。

在软件方面，以CCS环境为软件平台，以汇编语言为主要编程语言，完成主程序、中断程序、电流检测程序、键盘程序等部分的编写，成功地实现了SVPWM的输出及其对永磁直线同步电机的伺服控制。

关键词：

永磁直线同步电机；矢量控制；SVPWM；TMS320F2812

Abstract

Linearmotorisanoveltymotorthatcanconvertelectricityenergyintolinearmovementwithoutanymediummachine.Ithaswideexpectedapplicationanddevelopmentprospect.Asaresult,theresearchinvolvedlinearmotoranditsservocontrolsystemhasbecamedaresearchfocus.Inrecentyears,Alongwiththefastdevelopmentofpermanentmagnetmaterials,permanentmagnetlinearsynchronousmotor（PMLSM）hasbeengetmoreextensiveapplication.responsetothechinandprecisionmovment，haveadvantagesinhighefficient，largeexportmoment，smallandeasytocontroladvnatages，hasgreatlyimprovedtherapidresponsesystemintomotionprecision.Ithasbeenanewgenerationofutlra-precisionmachinetools，mostofthetechnology.Permnaentmganetlinearsnyehronousmotorservosystemwillbethedevelopmentoftheelectricalcurrentandfutureapplicationsofalinearmotor.Inthispaper，theservocontrolsystemofapermanentmagnetlinearsynchronousmotor（PMSLM）basedonDSPisinvestigatedmostly,givetheoverallsystemdesignprogram,designahardwarecircuit,andthepletionofthesoftwarepart.Firstofall,throughanalyzingitsinteriorconfigurationandmovementprinciple,amathematicalmodelofPMSLMisestablishedbasedonspacevectorofelectriccurrent，andonthebasisoftherotorfluxvectorcontrol,spacevectorPWMwavesofvelocityloop,currentloop,andpositionloop,etc.,atlastdesigningthehardwareandsoftwareofthesystem.Inthehardware,throughthesystemfunctionmodule,adoptedbyTIpanyTMS320F2812chipsforhardwarestructureoftheservocontrolsystemisthecore,thenthecontrolsystemschemeofeachmoduleofthespecificdesign.Insoftware,withCCSforsoftwareplatform,mainlyinassemblylanguageprogramminglanguages,pletedtheprogram,interruptprogram,currenttestprocedures,keyboardprogrametc,successfullyrealizedtheoutputandimplementingSVPWMcontrolofpermanentmagnetlinearsynchronousmotor.

Keywords：

PMLSM;VectorControl;SVPWM;TM320F2812

第1章绪论

1.1课题的国内外现状

本课题的研究对象是永磁直线同步电机。

传统的电机为旋转运动，如要获得线性运动需要借助如滚珠丝杠传动等机构，这一过程往往会使得传动的效率和精度下降。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置[1]。

在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往是直线形式。

永磁直线同步电机是直线电机的一种，兼有永磁同步电机和直线电机的双重特点。

与直线感应电机相比，永磁直线同步电机的力能指标高、体积小、重量轻且具有发电制动功能[2]。

因而不断在许多领域得到了应用。

例如垂直升降输送系统，高速地面运输系统，往复式空气压缩机等等。

但永磁直线电机也存在造价高，控制较为复杂的特点。

随着科学技术的不断发展，生产工艺的提高，这些以前让很多电机设计人员望而却步的缺点也显得微不足道了。

永磁直线同步电动机伺服系统因为高推力和高响应的优点越来越成为现代高速加工中心的首选，具有广泛的应用和发展前景。

是20世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、新理论的新技术。

它所具有的突出优势，已越来越受到人们的重视[3-4]。

其实，早在19世纪末与20世纪初就有人开始从事直线电机的研究。

当时，研究直线电机有两个目的，其一想用它来推动织布机上的梭子，其二想用它作为推动列车的动力，但均未获得成功，这两者都停留在试验论证阶段。

在以后很长的一段时间内，虽有少量的研究成果，但都未超出试验模型阶段。

如果驱动器能给被控对象提供直线运动形式的推力，以获得单向或者双向的有限可控位移，那么两者在运动形式上就直接匹配一致了，省去了中间的变换环节，这就具有天然的合理性了。

以电磁原理工作的各种形式的直线电机是提供大功率、高推力的主要执行元件。

由于它能直接产生连续单向或往复短行程的直线机械运动，而不需要中间机械传动变换装置，因而在国民经济各个部门都获得了应用，而且应用的前景越来越广阔[5]。

特别是随着上海磁悬浮商业线的投入运行，各个国家加大了对直线电机设计和控制的研究。

从目前的发展趋势来看，可能形成巨大市场的“直线运动工业”。

目前，世界上对直线电机的研究已经处于应用阶段，美国、德国等国家的直线电机产品技术成熟、种类丰富,但价格昂贵。

作为高速、精密机床的关键功能部件之一,直线电机的核心关键技术都被国外所拥用,市场也基本被国外著名的直线电机公司如Siemens、Anorad、Indramat、Kollmorgen、Aerotech、Park等所垄断。

从技术上说,直接驱动线性（Direct-DriveLinear,DDL）传动系统已走上一条成功之路。

我国虽然赶不上西方发达国家直线电机的发展,但各高等院校和科研院所也加大了直线电机的开发和研究工作,有不少单位开始研究和开发，但还处于探讨和试验阶段,与发达国家有较大差距。

清华大学制造工程研究所研究直线电机及其控制技术已有近15年的历史。

一开始主要研究用来推动车床横向刀架的高频、小行程永磁直流直线电机,以实现非圆截面零件的车削加工,并且已经成功地应用于实际生产中,取得的很好的效果。

浙江大学成立了直线电机研究所,研究各种类型的直线电机及其应用,如直线电机冲压机、记录仪、输送线、门窗驱动等。

西安交通大学对圆筒型直线感应电机的性能进行了深入的理论研究,并开发出实用电机,性能分析方面做了大量工作。

宁波大学对微特直线电机,主要是直线步进电机进行了长期的研究工作,取得了一定的成果。

武汉理工大学、中国科学院电工研究所等,也对不同类型的直线电机进行了研究。

沈阳工业大学从九十年代后期开始对LPMSMS进行研究,并制造了推力为100N的样机。

除了样机的研制外,他们研究的另一重点是直线电机的控制。

广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究所”,要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电机高速进给单元”。

开发了GD-3型直线电机高速数控进给单元,额定推力为2000N,最高进给速度100m/min,定位精度0.004mm,行程为80mm。

华中科技大学对长行程、高相应永磁同步直线电机进行了研究,但性能还有待检验和完善,需要进行更深入的研究[2,5]。

1.2课题的背景、意义

1.2.1课题的背景

随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电机控制理论的发展，永磁直线同步电机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用,尤其是在伺服传动领域,永磁直线电机正在逐步取代直流电机、步进电机而成为伺服驱动的发展方向。

交流伺服控制技术也有了长足的进步[11,12]。

借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们有可能构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。

因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，都已经由交流电力传动取代电液和直流传动。

在交流伺服传动领域中，伺服系统有三种构成形式，其执行元件分别是：

感应电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机，所构成的伺服系统除以上执行元件外还有：

变频装置（整流器和逆变器）、控制系统。

这三种伺服驱动系统，其逆变器和控制器的功能几乎相同，虽说感应电机矢量控制技术比永磁交流伺服电机的控制复杂些，但由于控制器件价格的下降，其控制器成本相差不大[13]。

由于永磁直线同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中，永磁直线电机引起了众多研究与开发人员的青睐。

1.2.2课题的意义

随着电力电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展,永磁直线同步电机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用,尤其是在伺服传动领域,永磁直线同步电机正在逐步取代直流电机、步进电机而成为伺服驱动的发展方向。

然而,由于永磁直线同步电机伺服系统受电机参数变化、外部负载扰动等因素的影响,要获得高性能、宽调速范围永磁同步伺服系统,必须研究先进的控制策略与控制手段,使系统具有较强的适应性和较强的抗干扰能力[14,15]。

传统的旋转电机加滚珠丝杠的驱动方式由于存在机械间隙，螺距周期误差，较长的传动链，综合刚度等弊端，很难满足高速精密机床的要求。

而直线电机驱动的位移机构在快速响应能力和精度等方面,都具有普通伺服驱动机构难以匹敌的优势。

与旋转电机相比，直线电机省去了中间传动环节，从而可以做到高速度、高精度和高加速度[16-18]。

而且随着永磁直线同步电机制造技术的提高和高性能的永磁材料的出现，特别是钕铁硼永磁材料的出现，使永磁直线同步电机成为一种高速、高精、高效驱动方式中最具竞争力的发展方向。

因而，永磁直线同步电机伺服系统无论是其实际应用还是理论探讨，都具有一定的研究价值，受到了电气传动工程界的广泛关注。

研究永磁直线同步电动机的研究及应用具有重要的意义。

第2章永磁直线同步电机的基本结构及原理

2.1直线电机概述

2.1.1直线电机的基本结构

直线电机是直接产生直线运动的电磁装置。

它可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，即看作是将一台旋转电机沿着某一半径的方向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图2-1所示，这样就成了一台直线电机[5]。

旋转电机的径向、周向和轴向，在直线电机中分别对应地成为法向、纵向和横向。

在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。

初级中通以交流电，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。

（a）旋转电机（b）直线电机

图2-1旋转电机变为直线电机的过程

在图2-1中，直线电机的初级和次级长度是相等的。

在直线电机运行时，初级与次级之间是要作相对运动的，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么，在运动中初级与次级之间互相祸合的部分越来越少，从而使直线电机不能正常运动下去。

为了保证在所需的行程范围之内，初级与次级之间的耦合能保持不变，实际应用时，初级与次级的长度要制造成不相等的。

事实上，在直线电机制造时，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动，如图2-2所示，图（a）称为短初级长次级，图（b）称为长初级短次级[2,8]。

图（a）短初级长次图（b）长初级短次级

图2-2单边型直线电机

但是由于短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，直线电机一般都采用短初级长次级的结构形式。

2.1.2直线电机的分类及特点

在不同场合下，直线电机可以有不同的分类型式。

可以按结构、功能工作原理等进行分类。

直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型（或管型）、圆弧型和圆盘型四种；直线电机，特别是直线感应电机，按其功能用途主要可分为力电机、功电机和能电机；在分析电机性能或机理时，通常以直线电机的工作原理进行分类，从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，然而从使用角度来看，直线电机得到了更广泛的应用[5]。

按其工作原理，直线电机的分类如图2-3所示。

在图中，交流直线同步电机中永磁式电机是本文的研究对象，它采用永磁材料，可减少电动机尺寸，实现每单位尺寸更大出力。

并且由于没有励磁电流流过，因此也就没有磁场损耗，此外，不会发生断路和开路现象，不会造成磁场运行干扰，同时无励磁绕组也就意味着不需要电刷和滑环；发热少，冷却要求低，长次级不需冷却。

它在推力、速度、定位精度、效率等方面比直线感应电机具有更多的优点[5]。

而且永磁直线电机在低速下仍能平滑运动而对推力脉动不敏感。

图2-3直线电机的分类

同样，永磁直线电机也存在缺点，永磁体产生的强磁场使其安装和操作较困难；永磁磁场吸引铁屑，电机必须加密封以防止铁屑阻塞气隙或进入运动副中；需通过位置传感器对电机进行电流换向控制。

2.2永磁直线同步电机的基本结构及原理

2.2.1永磁直线同步电机的基本结构

永磁直线同步电机与直线电机的结构类似，只是在定子侧，沿全行程法方向的一条直线上，一块接一块的交替安装N、S永磁体。

在动子下方的全长上，对应的安装含铁心的通电绕组（永磁同步旋转电机则是转子上装永磁体，而定子中含有电枢绕组）。

为此，动子必须带电缆一起运动。

永磁直线同步电机利用的是高能永磁体，具有的推力强度高、损耗低、时间常数小、响应时间快、控制比较容易等一系列特点，能够直接产生连续单项或往复短行程直线机械运动。

其主要缺点是永磁体的高成本带来整体装置的高价格，以及在端部存在较严重的漏磁场，特别是在单边圆筒型中，漏磁现象更为严重。

这种电机也分为平面型（单边、双边）或圆筒型。

对于任何一种形状，均可将初级制成动子，次级的永磁体作为定子。

借助于支撑系统，动子和定子之间保持恒定的气隙[8]。

2.2.2永磁直线同步电机的原理

永磁直线同步电机不仅在结构上相当于是对应旋转电机演变过来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。

根据永磁体的安装位置，永磁直线同步电机分为表面磁极型和内部磁极型。

用于伺服目的的永磁同步直线电动机一般采用表面磁极的结构，其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。

如图2-4所示是永磁直线电机的基本工作原理示意图。

图2-4永磁直线同步电机的基本工作原理

在图2-4中，这台永磁直线电机动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，同样会产生气隙磁场。

当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可以看成是沿展开的直线方向呈正弦分布。

当三相电流随时间变化的频率为

时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线运动。

这个原理与旋转电机相似，但两者的差异是：

直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移的，而不是旋转的，因此，该磁场称为行波磁场。

显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度

（称为同步速度）是一样的，即有：

（2-1）

其中

为极距（m）。

对于永磁同步直线电机来说，永磁体额励磁磁场与行波磁场相互作用便会产生电磁推力。

在这个电磁推力的作用下，由于定子固定不动，那么动子（即初级）就会沿行波磁场运动的相反方向作直线运动，其速度为

。

这便是永磁直线同步电机的基本工作原理。

直线电机就这样把电能直接转变为直线运动的机械能而无需任何中间变换装置[8]。

第3章永磁直线同步电机的数学模型及矢量控制

3.1永磁直线同步电机的数学模型

数学模型是研究实际对象的重要手段，建立能够反映研究对象本质规律的数学模型，可对其进行有效的分析和控制。

因此，为便于分析与控制，需要建立简便可行的永磁直线同步电机数学模型。

永磁直线同步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，但是在一定的假定下，可以通过坐标变换的方法使之简化，还可以通过空间矢量的概念进行运算，同时空间矢量有助于说明坐标变换的物理意义。

为了更好的利用空间矢量来说明问题，将永磁直线同步电机等价为其相应的永磁同步旋转电机。

转子磁极为凸极永磁结构，定子有三相对称的电枢绕组，如图3-1所示，a轴、b轴、c轴分别为定子绕组的轴线。

转子的磁极轴线为直轴d，逆时针方向转90度为交轴q。

θ为转子d轴相对于定子a轴逆时针转过的角度。

图3-1永磁同步电机矢量图

通常，在分析前先作如下假定：

（1）不计剩磁、涡流、磁滞、饱和等效应，认为磁路是线性的。

（2）忽略空间谐波，认为绕组磁势及气隙磁密按正弦规律分布。

在上述假定下，可引入空间矢量的概念。

在图3-1中，把永磁同步电机矢量图看作一个复数平面；在此平面上三相定子绕组的轴线为a、b、c轴，将a相绕组的轴线a作为复数平面上的实轴（Re）,逆时针方向转过90°为虚轴（Im）。

这样，复数平面上的一个复数可以和一根矢量相对应，反之亦然。

接着可定义电流空间矢量

如下：

（3-1）

式中，

，

，

——三相瞬时电流值。

事实上，

、

、

分别对应于a、b、c轴线上的三根矢量，它们分别反映了各相绕组产生的磁势。

电流空间矢量

则反映了定子合成磁势，它的长度反映了定子合成磁势的大小,

的方向就是定子合成磁势的方向。

接着可讨论abc坐标分量和dq0坐标分量之间的坐标变量关系[13-14]。

这种坐标变换是将a、b、c三相绕组的电流、电压、磁链等实际值，通过数学公式进行变换，转换成假想的d、q、0分量，以便于解题。

先定义d、q、0分量中的零轴电流分量

如下：

（3-2）

由于永磁直线同步电动机的定子绕组为无中线的Y型接法,固有

（3-3）

此种情况下,零轴电流分量

恒等于零[1]。

定子电流的d、q分量用

、

表示，它们分别是定子电流空间矢量在d、q轴方向的投影分量。

因为电流空间矢量

在d轴方向的投影等于组成

的各个分量在d轴方向的投影之和，所以可得到：

（3-4）

同理，可得到

（3-5）

式（3-2）至式（3-5）就是电流分量从ABC坐标转换到dq0坐标的公式[5]。

若把

、

、

看作未知数，

、

、

看作为已知数，且

则通过公式（3-2）至式（3-5）可以解出

、

、

如下：

（3-6）

（3-7）

（3-8）

在dq0坐标系统中，可以证明电磁转矩为

（3-9）

式中，

——驱动电动机的电磁转矩，它与转角

取同样的正方向；

——电动机的极对数。

由上式可见，构成电磁转矩的两个分量是：

（1）电枢直轴磁链与交轴电流分量相互的作用。

（2）电枢交轴磁链与直轴电流分量相互的作用。

3.2永磁直线电机的坐标变换

对于永磁直线电机来讲，矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施是落到对定子电流（交流量）的控制上。

由于在定子侧的各物理量都是交流量，其空间矢量以同步转速在空间旋转，对其调节、控制和计算均不方便。

因此，需借助于坐标变换的方法，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系。

从同步旋转坐标系观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量[10,18]。

坐标变换，就是将方程中原来的一组变量，换成一组新的变量。

电机控制中的坐标系有三种，即三相定子坐标系（A,B,C坐标系）、两相定子坐标系（α-β坐标系）和转子坐标系（d-q坐标系）。

三种坐标系的关系如图3-2所示，图中一个旋转矢量从三相定子坐标系（A-B-C轴系）变换到定子两相坐标系（α-β轴系）称为3/2变换，也叫Clarke变换，变换公式如（3-10）所示，其反变换叫做2/3变换，也叫Clarke逆变换，变换公式如（3-11）所示。

从定子两相坐标系（α-β轴系）变换到转子坐标系（d-q坐标系）称为Park变换，变换公式如（3-12）所示，其反变换叫做Park逆变换，变换公式如（3-13）所示[11,19]。

图3-2各坐标系的关系

（3-10）

（3-11）

（3-12）

（3-13）

3.3PWM（脉宽调制）控制技术

3.3.1PWM技术概述

PWM控制技术一直是交流调速技术的核心，由于PWM变换器具有功率因数高、可同时实现变频变压及抑制谐波的特点，因此在交流传动变换系统中得到广泛的应用，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的，尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，控制方法不断更新。

PWM控制技术的发展经历了一个不断完善和不断创新的过程[12,20]。

脉