多種干擾對同步直線電機伺服系統運動性能的影響

丁海波（中國船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚州　225001）

多種干擾對同步直線電機伺服系統運動性能的影響

丁海波
（中國船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚州225001）

受原有滾珠絲杠高速進給系統的限制，基于普通旋轉電機基礎上研制的直線電機實現了高速高精運動的控制，但是在該系統中還未配置相應的緩沖操作，導致同步直線電機伺服系統很容易受到多種干擾的影響。如果直線電機伺服系統運行過程中的任一運動部件受到影響就會出現問題，難以控制高速高精運動。因此研究多種干擾對同步直線電機伺服系統運動性能的影響，具有非常重要的意義。

直線電機；伺服系統；運動性能

0　引言

集成電路封裝、紡織機械產品、數控高速加工與工藝、雷達跟蹤產品等多個領域均應用到高速高精運動控制技術，該技術已經得到社會的廣泛關注，對現代數控系統的發展具有極大的促進作用。但是隨著對高速高精運動控制技術研究的不斷加深，逐漸發現一些問題，其中最主要的就是外部干擾［1］。本研究在對直線電機伺服系統研究、分析的基礎上，闡述了接地誤差、電壓波動與諧波、負載波動、傳感器誤差及負載波動對伺服系統的干擾，并以某一典型直線電機作為參考，通過仿真及實驗為研究提供可靠的依據。

1永磁同步直線電機伺服系統的研究

旋轉電機是直線電機形成的結構基礎，在一定程度上視為沿徑向將旋轉電機剖開并展平的結果。本研究參考永磁同步旋轉電機系統工作原理，從運動方程、磁鏈方程及電壓方程等方面對直線電機系統進行了分析。

（1）直線電機電壓方程式：

在上述直線電機電壓方程中，角速度表示為Xr，線速度為Pv/S即Xr，轉子相電阻表示為Rs，微分算子表示為p，極距表示為S，id、ud、Kd分別為d軸的電流、電壓和磁鏈，iq、uq、Kq分別為q軸的電流、電壓和磁鏈。

（2）直線電機磁鏈方程式：

在上述直線電機磁鏈方程式中，永磁磁體基波勵磁磁場與定子繞組相交鏈的磁鏈表示為KPM，電機中的直軸（d軸）電感和交軸（q軸）電感表示為LS。

（3）直線電動機運動方程式：

電磁轉矩公式為：

電動機的運動方程為：

在式（5）、（6）中：粘滯摩擦系數表示為B，負載阻力標示為Fl，動子和動子負荷總能量表示為M。若將動子線速度用v表示，反電動勢系數用Ke表示，可以得出以下公式：

根據永磁同步直線電機的電磁轉矩公式及運動方程，可以得出：

通過對式（7）、（8）的綜合變形可得：

以上述整理所得的公式為基礎，當粘滯摩擦系數設為零的情況下，實現多IP疊加，研究電流滯環跟蹤逆變器控制［2］。同以往PI控制結構相比，在此基礎上形成的IP控制的抗負載干擾性能更強，縮小了波動范圍，其中Kv和Kvi分別表示IP速度環參數。永磁同步直線電機伺服系統示意圖詳見圖1。

圖1　永磁同步直線電機伺服系統示意圖Fig.1 Permanent magnet synchronous linear motor servo system schematic diagram

2　永磁同步直線電機伺服系統的電機參數計算

永磁同步直線電機伺服系統框圖中各個參數的意義如下：電流控制量表示為Im（s），而電流跟蹤控制為Im（s）-iq（s）的過程，電流增益及電流反饋濾波時間常數分別為Kcf和Tcf，電流環開環放大系數為Kpc，電流反饋回路和逆變放大器的傳遞函數通過Kcf/（1+Tcfs）和KPWM/（1+TPWMs）來表示［3］。

選取丹納赫kollmorgen Servostar系列驅動器、IL12-050A1型動子、MW0500256型定子及kollmorgen的直線電機對同步直線電機伺服系統的運動性能進行仿真，可設定永磁同步直線電機伺服系統框圖中的各項數據的數值：

若使上式中的Kcf及KpcKPWM的數值大小均設置為10，Kv的可選取范圍為1～20，而Kvi的值為20。

3　干擾同步直線電機伺服系統的主要因素

干擾同步直線電機伺服系統的主要因素有：①電磁干擾、接地誤差干擾伺服系統；②電壓波動、諧波對伺服系統的干擾；③負載波動對伺服系統的干擾［5］；④傳感器誤差對伺服系統的干擾。在本文中著重對④的干擾進行詳細說明。

（1）傳感器與電流采樣電路方案設計。同步直線電機伺服系統達到高速高精運動的前提是要擁有高精度傳感器，長光柵、圓光柵等高精度角度儀器中，對計數計算速度、分辨率等要素有嚴格的標準。對于光柵傳感器來說，雖然制作過程中對精度進行了明確的定位，然而也有可能在組裝或運行的環節出現一些問題，存在傳感器誤差的問題，必然會對直流電機伺服系統運動性能產生很大的影響。當光柵傳感器的誤差范圍較小時，其雖然能夠維持系統的穩定，繼續發揮功能，但是還是會使反饋系統存在一些誤差，導致伺服系統輸出受干擾。

因為采樣的精度和速度直接導致整個電流環的運算精度，從而直接對系統的性能產生非常重大的影響。而在電量參數測量領域內，霍爾電流傳感器由于其穩定可靠的產品性能成為本系統設計的首選。型號為lts25-np。其具體特點和性能參數如下：原邊額定電流有效值ipn：25a；原邊電流測量范圍ip：0～±80a；供電電壓：+5v；輸出電壓vout：2.5±0.625v；轉換率kn=np：ns為：1：2000；總精度：±0.2%；線性度：小于0.1%；反應時間：小于500ns。

該傳感器有正極（+5）、測量端（out）及地（0）三個管腳。其工作原理如下：該款傳感器是閉環霍爾電流傳感器，使用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產品，其工作原理是霍爾磁平衡式的 （或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式）。當電流流過一根長的直導線時，在導線周圍產生磁場，磁場的大小與流過導線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線中電流的大小。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨并接一只1μf的退耦濾波電容。

在本系統中，由兩個lem模塊檢測a相和b相的電流。在實際調試中，由于經過傳感器出來的電流信號有高次偕波及其它干擾信號，因此必需要設計濾波器把高次偕波及其它干擾信號抑制掉。結合實際情況考慮，本文設計了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測電路。

在開關模式控制下，相電流信號含有需要濾出的高次諧波。設計中，首先利用pspice軟件對濾波器進行虛擬設計［2］，經過仿真驗證后，確定采用二階的巴特沃斯濾波器結構，系統利用電流傳感器檢測電流，經濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉化為0～3v的電壓信號送入dsp的a/d引腳。

電流檢測及模擬二介低通濾波器設計電路中的二階巴特沃斯濾波器 （虛線框內所示）的幅頻特性曲線，通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，截至頻率為300hz，衰減斜率為-40db/dec。

（2）實驗結果。實驗系統中，pwm頻率為15khz，死區時間為3μs，電流環采樣周期為67μs，速度環采樣周期為0.67ms，速度環的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實驗控制一臺8極的永磁同步電動機電機，其參數為：額定功率：1.88kw，額定轉速：2500r/min，額定電流：7.5a，額定轉矩：7.5nm，額定電壓：220v。電機分別在 10r/min、200r/min、1000r/min、2000r/min且速度調節器參數設置為：kpv=0.5，kiv=0.02；電流調節器參數設置為：kpi=0.2，kii=0.02時的起動—停止過程的轉速曲線分別如圖2～5所示。

從圖2～5所示的實驗波形可看出當電機空載運行時，系統運行在速度電流閉環狀態下，可迅速達到穩態，超調及穩態誤差都很小，實驗結果表明本系統設計合理，具有良好的動靜態性能。

圖2　10r/min起動-停止曲線Fig.2 10r/min start-stop diagram

圖3　200r/min起動-停止曲線Fig.3 200r/min start-stop diagram

圖4　1000r/min起動-停止曲線Fig.4 1000r/min start-stop diagram

圖5　2000r/min起動-停止曲線Fig.5 2000r/min start-stop diagram

4　直線電機伺服系統運動性能的仿真與試驗

為了更清晰的顯示不同干擾因素對直線電機伺服系統運動性的影響，下面主要進行了一些仿真和試驗研究。試驗中系統模擬輸入端電壓為-10V—+10V，電機速度最大值為2125m/s，當輸入端電壓為+10V時，相應正方向速度為2125m/s，該仿真將輸入速度設為10m/s。，詳見圖6。

（1）電壓波動、諧波對伺服系統的干擾仿真。進行仿真時，將施加uq的干擾設置為-5%uq～+5%uq，結果顯示：kv為最小值時，即為1～5時，誤差最大，而kv為最大值時，即為10～20時，誤差最小，kv為最小值時系統時，系統輸出詳見圖6。圖中30～40s時施加電壓擾動，輸出變化為0.9m/s～1.1m/s。

（2）電磁干擾、接地誤差對伺服系統的仿真。試驗中系統模擬輸入端感應電壓同接地誤差值為30mV，相應輸入速度為0.00675m/s，在30～40s時刻疊加到圖7中的輸入端，仿真結果詳見圖8。在30mV疊加誤差中的結果顯示，輸出速度波動范圍為0.993～1.007m/s。

（3）負載波動對伺服系統的干擾仿真。當電機系統，在 30～40s時受到矩形波外力擾中值為10N，系統輸出仿真結果詳見圖9，輸出值變化范圍為0.93～1.07m/s。

（4）傳感器誤

圖6　電壓波動對系統輸出的干擾Fig.6 System interfered by voltage fluctuations

圖7　電磁干擾、接地誤差對系統輸出的干擾Fig.7 System output interfered byelectromagnet interference and earth error

圖8　負載波動對系統輸出的干擾Fig.8 System output interfered by load fluctuation

圖9　傳感器誤差對系統輸出的影響Fig.9 System output interfered by sensor error

差對伺服系統的干擾仿真。當傳感器存在1%的誤差時，圖6中反饋回路中疊加誤差范圍為-0.01～+0.01m/s，系統的輸出結果詳見圖9。在30～40s時受到誤差影響，導致輸出誤差增大，范圍為-0.012～+0.012m/s。

5　結束語

本研究在對直線電機伺服系統研究、分析的基礎上，闡述了接地誤差、電壓波動與諧波、負載波動、傳感器誤差及負載波動對伺服系統的干擾，并以某一典型直線電機作為參考，通過仿真及實驗為研究提供可靠的依據。

［1］張從鵬，劉強.直線電機氣浮精密定位平臺設計與控制［J］.北京航空航天大學學報，2008，2.

［2］王明杰，程志平，焦留成.永磁直線電動機的穩態參數計算分析及有限元驗證［J］.微特電機，2014，7.

［3］韓江，蘇志遠.直線電機進給伺服系統的自適應模糊位置控制研究［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2008，1.

［4］蔡滿軍，趙成圓.永磁直線同步電機的自適應迭代學習控制［J］.微特電機，2014，6.

［5］張國柱，陳杰，李志平.直線電機伺服系統的自適應模糊摩擦補償［J］.電機與控制學報，2009，1.

Multiple Interference on the Motion Performance of Synchronous Linear Motor Servo System

DING Hai-Bo
（723 Institute CSIC，Yangzhou Jiangsu 225001，China）

Restricted by the original high-speed ball screw feed system，the linear motor realized the high speed and high precision motion control which based on the general rotary motor，but in the system still don't configure corresponding buffer action，which make the synchronous linear motor servo system easily affected by multiple interference.It can be problem if any moving parts affected in the process of linear motor servo system，it is difficult to control the high speed and high precision motion.So it have great significance to study the multiple interference on the motion performance of synchronous linear motor servo system.

linear motor；servo system；motion performance

TH-39

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.042

1002-6673（2015）05-113-04

2015-06-30

丁海波（1989-），男，江蘇南通人，大學本科，助理工程師。研究方向：機電一體化。