永磁直線同步電動機矢量控制位置伺服系統

曹 勇，李華德

(1．遼寧工業大學，遼寧錦州121001;2．北京科技大學，北京100083)

0引 言

機械制造工業中的高檔數控機床以高速、高精度為主要特征［1］，這取決于多個方面的技術支持，如快速驅動電機、先進控制技術、高性能微電腦芯片、準確快速的位置檢測等。由永磁直線同步電動機(PMLSM)構成的位置伺服系統不需要任何中間機械傳動機構，可以從根本上實現電機與工作臺之間的零傳動，具有響應速度快、位置跟蹤準確、效率高等優點［2-3］，是實現高檔數控機床的重要基礎。

目前，永磁直線同步電動機主要存在矢量控制方式［4］和直接推力控制方式［5］。就其本身特點來說，矢量控制精度高、動態響應快，非常適合精確定位運動的場合。直接推力控制要求使用在動態響應更快，并具有很大起動力矩的場合，其不足在于砰砰控制結構造成系統精度不高。本文以永磁直線同步電動機作為執行器，根據空間矢量解耦控制思想，建立磁場定向矢量控制下的三環直線伺服控制結構，搭建數字信號處理器及智能功率模塊數字化實驗平臺，完成直線伺服系統周期位置跟蹤實驗研究，結果表明系統具有良好的直線位置跟蹤性能。

1直線位置伺服系統控制結構

磁場定向控制(id=0)下，永磁直線同步電動機的矢量控制方程式:

式中:Fe為電磁推力;KF為推力系數;id為d軸電流;iq為q軸電流。

磁場定向矢量控制下的永磁直線同步電動機伺服系統為典型三環結構，包括電流環、速度環和位置環，如圖1所示。直線位置伺服系統由永磁直線同步電動機PMLSM、逆變器、PWM空間矢量調制器SVPWM、abc/dq坐標變換器、dq/αβ坐標變換器、位置比例P調節器、速度IP調節器、電流比例積分PI調節器、θe信號生成器等組成，電機直線位置信號由光柵尺獲得。

系統工作過程如下:直線位置反饋值d(t)與參考值dr(t)的差值送入位置比例P調節器，可以得到速度參考值vr(t)，該信號與速度反饋值v(t)相比較，并將差值送入速度IP調節器，得到q軸的參考電流值iqr(t)。由于該系統為磁場定向控制方式，因此與來自abc/dq坐標變換器的反饋電流值相比較后送入電流比例積分PI調節器，然后經過dq/αβ坐標變換器得到αβ軸的參考電壓，由PWM空間矢量調制器SVPWM生成6路IGBT驅動信號，就可以得到永磁直線同步電動機PMLSM動子三相繞組的供電信號。

圖1 直線伺服控制結構

位置P調節器:

式中:kd為位置比例調節因子。

速度IP調節器:

式中，KsP和KsI為速度比例、積分調節因子。在該調節器中，將比例環節KsP移到反饋通路上，以充當反饋補償的作用。

電流PI調節器:

式中:KcdP和Kcdl分別為d軸電流比例、積分調節因子，KcqP和KcqI分別為q軸電流比例、積分調節因子。

abc/dq坐標變換器:

dq/αβ坐標變換器:

電壓空間矢量脈寬調制器SVPWM如下:

電機動子繞組的供電線路為三相IGBT逆變器形式，包含3個橋臂、6個開關管。定義開關函數Sx(x=a，b，c):當上橋臂開關管導通時，Sx=1;當下橋臂開關管導通時，Sx=0。這樣，得到三相逆變器共有23=8種開關模式，即8種基本電壓空間矢量:u(000)、u(001)、u(010)、u(011)、u(100)、u(101)、u(110)、u(111)，其中 u(000)和u(111)為零電壓矢量。同時構成6個電壓工作扇區，通過將電壓uαr(t)和uβr(t)代入下式，得到如下扇區號定義:

式中:sign［x］為符號函數。

當 x＞0 時，sign［x］ =1;x＜0 時，sign［x］=0。

根據上面確定的扇區號，可以確定期望獲得的電壓合成矢量 uαβr=uαr+juβr，由組成該扇區的兩個電壓空間矢量及零矢量所構成。

下面以uαβr位于第3扇區為例，說明電壓空間矢量的作用時間。此時，uαβr為u(100)、u(110)及u(000)和u(111)4種矢量的合成作用。設 Tαβ為uαβr作用的時間，T100為u(100)作用的時間，T110為u(110)作用的時間，T000和T111分別為u(000)和u(111)作用的時間，則滿足下面公式:

2直線伺服系統硬件設計

直線伺服系統硬件電路主要包含控制電路、功率驅動主電路及檢測電路、人機界面和輔助電源電路四部分，如圖2所示。

圖2 直線伺服系統硬件結構框圖

系統由三相交流電源供電，整流、濾波、逆變及永磁直線同步電動機構成系統強電部分，DSP控制電路、功率器件驅動及保護電路、檢測電路、人機界面、輔助電源電路等構成系統弱電部分。系統指令通過人機界面或上位PC機通過RS-232通信傳送給DSP控制器，DSP接收指令后與電機實際位置/速度進行比較，由位置和速度調節算法及電機矢量控制算法共同完成脈寬調制PWM信號輸出，使直線電機位置跟蹤給定參考位置指令要求。

2．1 控制電路

選擇數字信號處理器TMS320LF2407作為系統控制核心。TMS320LF2407控制電路由DSP本身、時鐘電路、外部存儲器、串行通信、JTAG接口、EEPROM電路及PWM事件處理電路等組成。

(1)時鐘電路

采用一個10 MHz晶體振蕩器為整個系統提供基準時鐘信號，晶振連接到DSP的XTAL1/CLKIN(123腳)和XTAL2(124腳)上。

(2)外部存儲器擴展

外部擴展2片RAM，型號為CY7C1021V，一片作為數據存儲器，一片作為調試階段的程序存儲器。CY7C1021V具有64 k*16位的存儲空間，存取速度為12 μs，供電電壓為 3．3 V。TMS320LF2407 內部的程序空間與數據空間相互獨立，兩者片外部分的選通信號分別為和。

(3)串行通信

在現代教學模式下，教學的主題已經由老師轉變為學生，老師只是起到引導的作用，要激發學生對酒店英語的學習欲望，挖掘學生自主性、創造性和實踐性的潛力，形成良好的課堂氛圍。教師可以模擬酒店情景，讓學生發揮不同的作用，使得教學更加生動逼真，容易讓學生接受。

TMS320LF2407內部包含串行通信接口SCI模塊，該模塊支持CPU與其他使用標準格式的異步外設之間的數字通信。通過SCI接口可以實現與上位機的通信功能。由于SCI接口的邏輯電平為3．3 V，因此采用3．3 V供電的串行通信模塊MAX3232來實現與RS-232的電平轉換。

(4)EEPROM電路

TMS320LF2407具有一個高速同步串行輸入輸出端口SPI，系統采用串行8K*8位的EEPROMX25650作為存儲單元。當系統掉電時，用于保存系統設定參數、故障信息及要求備份的數據。

2．2功率驅動主電路及檢測電路

(1)功率驅動主電路

直線伺服系統功率驅動主電路為交-直-交電壓源型結構，整流單元由日本三社公司的DF30AA120模塊構成，最大平均電流為30A，二極管最大反向壓降為1 200 V，濾波單元由兩個1 000 μF/450 V電解電容串聯構成，逆變單元由日本三菱智能功率模塊PM20CSJ060構成，容量600 V/20 A。

來自TMS320LF2407事件管理器EVA模塊的PWM1-6信號，經過電阻限流后控制高速光耦HCPL-4504的動作，這樣得到已經隔離且放大的IPM開關器件驅動信號，控制IGBT導通和關斷。同時，IPM上橋臂保護信號輸出UFO、VFO、WFO和下橋臂公用保護信號輸出FO經過或非門邏輯電路CD4078控制低速光耦PC817的動作。當發生上面任意一種保護動作后，產生功率驅動保護中斷。

(2)動子位置檢測

直線電動機動子位置采用英國雷尼紹RENISHAW直線光柵尺進行檢測，主要由光柵RGS20-S和RGH22X讀數頭組成，其中RGH22X分辨率為1 μm，最大速度為 5 m/s，供電電源5 V，防護等級IP30。RGH22X讀數頭可以提供工業標準數字信號輸出，通過TMS320LF2407中的事件管理模塊可以獲取直線電動機的位置信息，其中QEP1和QEP2電路連接光柵尺正交編碼信號A和B，CAP3連接光柵尺參考信號。由于光柵尺輸出信號電平為5 V，因此在上面接口之間加入電平轉換芯片74LVC4245A，以得到 TMS320LF2407可以接收的3．3 V電平下的正交編碼信號和參考信號。

(3)動子三相電流檢測

直線電動機動子三相電流采用LTS 6-NP霍爾電流傳感器進行檢測。由于該電流傳感器內部具有測量電阻(208．33 Ω)，因此可以將動子交流相電流轉換成電壓信號并輸出，模擬輸出電壓范圍為2．5±0．625 V，同時可以保證功率主電路與控制電路之間具有可靠的電氣隔離。

2．3 人機界面

人機界面作為伺服系統的上位機控制，主要為鍵盤與顯示設計，同時包含與TMS320LF2407之間的RS-232串行通信設計。其中，鍵盤可以設定直線位置、正反向移動等功能，LED數碼管可以顯示一些運行中的參數。

2．4輔助電源電路

整體輔助電源系統包含5 V、3．3 V、+12 V、-12 V及4路相互隔離的15 V電源，其中3．3 V電源為控制核心TMS320LF2407供電，+12 V和-12 V電源為運算放大器OP07供電，4路15 V電源為智能功率模塊PM20CSJ060作驅動電源，5 V電源為其他芯片及電路供電。其中4路相互隔離15V電源由三菱公司專用驅動電源模塊M57120L和M57140-01實現。

直線伺服系統中除上面四部分硬件電路外，還包括直流電壓過壓、欠壓保護、過電流保護及其他I/O接口等，其中各種保護信號與IPM保護一同送入或非門邏輯電路CD4078，引起系統中斷。

3直線伺服系統軟件設計

系統控制程序為模塊化結構設計思想，主要包含主程序、初始化程序及各種中斷服務程序。

3．1主程序模塊

系統進入主程序后，首先禁止PWM信號的輸出，同時屏蔽TMS320LF2407中斷，然后進入系統初始化程序。初始化完成后，開啟串行通信處理程序，等待通信中斷發生，即等待上位機指令。一旦串行口接收到數據就將串行通信標志位置位，TMS320LF2407就執行串行通信中斷服務子程序。

3．2定時器1中斷服務程序

當定時器1產生下溢中斷申請時，進入中斷服務程序。首先，采樣動子三相繞組電流值及光柵尺輸出的正交編碼脈沖信號，并計算用于坐標旋轉變換所使用的動子磁場電角度值。由于伺服系統的外環采樣頻率比內環采樣頻率低，因此設計兩級調節過程。若位置環調節時間到，則讀取動子位置并與給定位置值相減，執行位置調節計算，否則進入速度調節模塊。同理，若速度環調節時間到，則計算直線速度并與位置調節器輸出值相減，執行速度調節計算，否則進入電流調節模塊。

當程序進入電流調節器后，說明系統開始執行電機磁場定向矢量控制部分。將前面采樣的動子三相繞組電流值送入電流abc/dq坐標變換模塊，此時需要使用動子磁場電角度值并計算其正余弦值。然后經過電流PI調節計算，送入電壓dq/αβ坐標變換模塊，其輸出的結果執行SVPWM計算，輸出逆變器所需的6路PWM控制信號。

電壓空間矢量脈寬調制SVPWM子程序模塊以uαr(t)和uβr(t)作為輸入變量。在每一個 PWM 周期內，通過子程序輸入變量 uαr(t)和 uβr(t)計算扇區號，同時采用多路分支程序結構方式，在所確定的扇區內計算下一個PWM周期的三個比較寄存器的裝載值，并送入到比較寄存器中。

4實驗研究

直線伺服系統控制對象為美國PLATINUM DDL直線電動機IL24-030A2，主要參數如下:峰值推力為480 N，持續推力為152 N，峰值電流為14．2 A，持續電流為 4．5 A，電阻為6．1 Ω，電感為1．28 mH，推力常數為33．7 N/A，線圈質量為0．72 kg。

實驗過程要求直線伺服系統以1 s為周期，在0．2 m直線范圍內做往復周期運動。選擇位置調節器參數為Kd=16，速度調節器參數為KsP=35、Ksl=800。圖3為直線位置響應曲線，圖4為直線速度響應曲線，圖5為q軸電流響應曲線。

圖3 直線位置響應曲線

圖4 直線速度響應曲線

圖5 q軸電流響應曲線

從實驗曲線中可以看出，直線電動機響應過程中，動子速度最大值達到2．6 m/s，q軸電流最大值達到9．3 A。動子經過0．2 s的響應時間能夠達到0．2 m的直線參考位置，直線伺服系統具有良好的位置跟蹤能力。

［1］ 周凱，趙景山，譚仲毅．高速機床的交流直線電機進給驅動系統［J］．機械制造，2003，41(461):17-19．

［2］ 郭慶鼎，孫宜標，王麗梅．現代永磁電動機交流伺服系統［M］．北京:中國電力出版社，2006．

［3］ 舒志兵．交流伺服運動控制系統［M］．北京:清華大學出版社，2006．

［4］ Bon G G，Kwang H N．A vector control scheme for a PM linear synchronous motor in extended region［J］．IEEE Transactions on industry application，2003，39(5):1280-1286．

［5］ 鄒積浩，朱善安．基于電壓預測的直線永磁同步電機直接推力控制［J］．儀器儀表學報，2005，26(12):1262-1266．