基于DSP 的磁懸浮永磁直線伺服系統的研究*

藍益鵬 賀 偉 劉宇菲

(沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

直線伺服系統在數控機床中的應用，消除了傳統機械傳動鏈帶來的一系列不良影響，然而在數控機床加工過程中的摩擦阻力，特別是在低速時的非線性摩擦不可避免地影響伺服系統的精度，導致進給系統產生爬行以及造成反向死區。磁懸浮永磁直線伺服系統因其具有非接觸，無摩擦，無磨損等特點，在數控機床領域中具有廣泛的應用前景［1-4］。

磁懸浮永磁直線電動機控制系統為一個多變量，高耦合，非線性的系統，因此要得到好的控制性能，必須進行磁場解耦，這其中需要大量復雜的數學運算。而數字信號處理器(DSP)的高速數據處理能力能很好地完成這一任務，也符合實時控制的要求［5-7］。數字控制系統控制簡單，有較高的分辨率，運行可靠，無溫度漂移，動態響應快。除完成控制外，還具有保護，故障監視，自診斷以及和上位管理機通信等功能［8-9］。

本文在建立磁懸浮永磁直線伺服系統的數學模型基礎上，設計了以TMS320LF 2812 為主控CPU，采用SVPWM 控制技術，結合硬件電路，對該系統進行軟硬件設計及實驗研究，得到了電動機運行中相關量的實驗波形，實現了對磁懸浮永磁直線電動機的控制。

1 磁懸浮永磁直線伺服系統的數學模型

磁懸浮永磁直線同步電動機的特殊性在于其動子上存在兩套繞組，如圖1。電動機本來就具有很強的電磁耦合，增加懸浮繞組使直線電動機的電磁關系和數學模型更加復雜，則要分析磁懸浮永磁直線伺服系統的數學模型，必須對兩套繞組進行解耦處理［10］。

為了實現兩套繞組的解耦控制，使在d -q 坐標下推力繞組電流產生的全部磁鏈在q 軸方向上，懸浮繞組電流產生磁鏈全部在d 軸方向上與永磁體磁場一致，消除兩套繞組之間的磁鏈耦合。

由圖2 可知，懸浮繞組產生磁動勢在相位上與推力繞組產生磁動勢相差90，兩套繞組之間不存在耦合，實現了兩套繞組間的解耦控制。則解耦后的磁懸浮永磁直線伺服系統的電壓和磁鏈方程為:

其中:ud、uq、id、iq、Ld、Lq、ψd、ψq分別為d -q 坐標系下動子電壓、電流、電感和磁鏈;ψf為永磁體基波勵磁磁鏈，Rs為動子電阻，v 為動子線速度，np為極對數，τ 為極矩。動子電磁轉矩表達式為:

由上式可知，由于定子磁鏈幅值恒定不變，動子電流在d-q 坐標系下的分量決定磁懸浮永磁直線電動機的電磁轉矩。

2 系統硬件結構及軟件設計

2.1 硬件結構

圖3 為磁懸浮永磁直線伺服系統的系統硬件框圖。硬件設計主要包括主電路和控制電路。主電路是由整流、濾波以及IPM 智能功率模塊構成。控制電路是以芯片DSP TMS320F2812 為核心，其中還包括位置檢測電路、電流檢測電路和故障診斷電路等。

控制電路中的DSP2812 最小系統主要由電源、DSP 芯片、晶振、RAM 及I/O 管腳組成。系統通過JTAG 接口和仿真器連接實現編程調試。在最小系統中，Flash 編程電壓是3.3 V，主頻為150 MHz，同時還有多達128 kBit×16 位的Flash 存儲器以及兩個時間管理器EVA 和EVB，它們能捕獲位置信號，產生可調死區的各種PWM 波形。

2.2 系統軟件設計

系統軟件主要包括主程序、系統初始化程序、起始定位子程序、定時器中斷子程序、A/D 電流采樣子程序、電流和速度的PI 調節、SVPWM 波形產生子程序和外部中斷子程序等。

主程序框圖如圖4 所示，主要實現以下功能:(1)系統初始化:DSP 內核初始化、中斷初始化、ADC 初始化及啟動、事件管理器初始化、電動機動子的初始位置參數初始化。(2)位置初始化:電動機的動子進行初始定位，開中斷并啟動事件管理器。(3)若有中斷到來，則執行相應的中斷服務子程序。

中斷服務子程序主要包括電流大小的計算、速度位置信息和矢量變換組成。

3 實驗結果與分析

磁懸浮永磁直線電動機及其伺服系統如圖5 所示，它包括了自行設計的磁懸浮永磁直線電動機和實驗研究所需的硬件電路。

3.1 SVPWM 的驅動信號和反電動勢波形

從DSP 輸出的6 路PWM 波分別控制IPM 的6 個功率開關管，從數字示波器測得的PWM1 和PWM4 波形如圖6 所示。PWM 信號的周期為50 μs，幅值3.3 V。

圖7 為A 相和B 相反電動勢波形，圖中波形幅值逐漸減小為電動機減速過程。

3.2 光柵尺輸出信號波形

直線伺服控制系統位置測量采用的是長光柵尺傳感器，作為位移、速度與磁極位置測量元件，安裝在電動機的輔助導軌之間。圖8 和圖9 分別為電動機正向和反向運行時，光柵尺輸出信號波形。

由圖8 和圖9 可以看出，雖然光柵尺的波形有一些毛刺，但高低電平間轉換延遲時間很短，相位差也足以讓鑒相器識別，所以效果比較理想。

3.3 相電壓和線電壓波形

速度參考值對應的PU(per unit)值為:Speedref=0.1，對應于0.8 Hz，周期1.25 s，速度為105.6 mm/s。直流母線電壓Ud=80 V。對直流中性點o'的相電壓U'a0，U'bo波形。相電壓只有±Ud/2 兩個電平，即+40 V，-40 V，見圖10。

對電動機中性點N 的相電壓UaN、UbN波形，有±Ud/3、±2Ud/3 和0 五個電平，見圖11。

Uab=U'a0-U'bo，Uab線電壓波形只有± Ud和0這3 個電平，見圖12～13。圖13 中，寬的地方是減速反向過程。

4 結語

本文以磁懸浮永磁直線同步電動機為研究對象，研究了基于DSP 的直線伺服系統的軟硬件設計方法:

(1)將矢量控制分別應用于電動機的兩套繞組，實現推力與懸浮力的解耦。建立了磁懸浮永磁直線伺服系統的數學模型。

(2)設計了基于智能功率模塊構成的磁懸浮永磁直線伺服系統的主電路，以及伺服系統的控制軟件。

(3)對磁懸浮永磁直線伺服系統進行了實驗研究，實驗所得波形驗證了系統控制方案合理，實現了對磁懸浮永磁直線伺服系統的精確控制。因此，基于DSP 的磁懸浮永磁直線伺服控制系統的研究具有理論意義和實用價值。

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