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1 引言 制造業中需要的線形驅動力，傳統的方法是用旋轉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，這種驅動已經顯露出不足。在這種情況下直線電機應運而生。直線電機直接產生直線運動，沒有中間轉換環節，動力是在氣隙磁場中直接產生的，可獲得比傳統驅動機構高幾倍的定位精度和快速響應速度。目前，美國、日本、德國、瑞士等是直線直接驅動系統研究水平相對較高的國家，Siemens、Kollmorgen等公司的產品已經商品化。國內對直線電機的研究開發非常重視，很多科研院所都開展了實驗研究，但沒有實現產業化。本文是在我系研制的交流永磁同步直線電機基礎上進行基于矢量變換控制的驅動系統設計應用。 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于沿徑向展開后的旋轉電機。交流永磁同步直線電機通入三相交流電流后，會在氣隙中產生磁場，若不考慮端部效應，磁場在直線方向呈正弦分布。行波磁場與次級相互作用產生電磁推力，使初級和次級產生相對運動。圖1所示為開發設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 由于矢量控制動態響應快，相比較標量控制，在很快的時間內就能達到穩態運行。經過30多年工業實踐的考驗、改進與提高，目前已經達到成熟階段，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動的方法。 直線電機初級的三相電壓（U、V、W相）構成了三相初級坐標系（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。參照旋轉電機矢量變換理論，設定兩相初級坐標系（α-β軸系），由三相初級坐標系到直角坐標系轉換稱為Clark變換，見式（1）。 從靜止坐標系到旋轉坐標系的變換稱為Park變換，見式（2）。反之稱Park逆變換。 θ是d軸與 軸的夾角。根據旋轉電機的Park變換理論和兩電機結構比較。由于電機運動部分的不同，故直線電機動子相當于旋轉電機定子，直線電機定子相當于旋轉電機動子。所以在旋轉電機中旋轉坐標系固定在動子上，旋轉坐標系隨著電機轉子一起同步旋轉。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“旋轉坐標系”（實際上此坐標系是直線運動的，應稱之為直線運動坐標系）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系也和定子一起相對于動子相對于動子向左運動。動子內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。 3．永磁同步直線電機控制系統設計 根據直線電機工作原理，采用矢量變換設計其控制驅動系統。 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位定點高速數字信號處理器，150MIPS的執行速度使得指令周期縮短至6.67ns，內置12位的AD轉換器，最小轉換時間為80ns。功率驅動部分采用IPM模塊， PWM頻率最高可達20K。 永磁同步直線電機驅動控制系統結構框圖如圖4所示 4.軟件結構 系統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子程序5個部分。系統復位后首先執行初始化程序，實現對DSP內部各功能模塊工作模式的設定和初始狀態的檢測；然后執行主程序，開啟定時中斷、外部保護中斷及初始定位子程序；獲得動子準確位置信息后，進入運行狀態，執行中斷服務子程序。 系統的主要功能，包括電流大小的計算、速度位置信息和矢量變換，由中斷服務子程序來完成。根據系統運行原理設計其軟件結構。圖5為系統運行程序圖： 系統中斷子程序圖如圖4所示： 5 .結論 本文設計的算法程序已經初步調試成功，能夠實現基本運行，證明軟硬件設計的正確性。圖5所示為部分調試結果 由于直線電機端部效應及外部載荷直接加載等特點，使得對直線電機控制系統穩定提出了較高要求。為提高其控制的魯棒性，其算法還有待于繼續改進。必須采取合適的控制算法和控制策略，使系統動態響應快，抗干擾能力強，穩態跟蹤精度高。因此直線電機控制理論有待于進一步深入的探討與研究。 本文作者的創新點：分析了永磁同步直線電機與旋轉電機的矢量變換理論的區別之處，并在此基礎上基于TMS320F2812 DSP實現其控制系統。 |
