基于DSP的交流永磁同步直線電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

　摘   要：在比較旋轉(zhuǎn)電機
電機

　　電機是利用電磁感應(yīng)定律使得電能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它依靠轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生驅(qū)動扭矩，來作為電器及各種機械的動力源。

和直線電機兩者區(qū)別的基礎(chǔ)上，分析了交流永磁同步直線電機結(jié)構(gòu)特性。并就直線電機的特殊性給出了交流永磁同步直線電機調(diào)速的矢量變換控制方法,做出了基于DSP
DSP
　　dsp是digital signal processor的簡稱，即數(shù)字信號處理器。它是用來完成實時信號處理的硬件平臺，能夠接受模擬信號將其轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信號，并能進行一定形式的編輯，還具有可編程性。由于強大的數(shù)據(jù)處理能力和快捷的運行速度，dsp在信息科學領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。 [全文]

的控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。

　　1  引　言

　　制造業(yè)中需要的線形驅(qū)動力，傳統(tǒng)的方法是用旋轉(zhuǎn)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(qū)動已經(jīng)顯露出不足。在這種情況下直線電機應(yīng)運而生。直線電機直接產(chǎn)生直線運動，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，動力是在氣隙磁場
磁場

　　電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產(chǎn)生的。磁場的基本特征是能對其中的運動電荷施加作用力，磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源于此。 [全文]

中直接產(chǎn)生的，可獲得比傳統(tǒng)驅(qū)動機構(gòu)高幾倍的定位精度和快速響應(yīng)速度[1]。目前，美國、日本、德國、瑞士等是直線直接驅(qū)動系統(tǒng)研究水平相對較高的國家，Siemens、Kollmorgen等公司的產(chǎn)品已經(jīng)商品化[2]。國內(nèi)對直線電機的研究開發(fā)非常重視，很多科研院所都開展了實驗研究，但沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本文是在我系研制的交流永磁同步直線電機基礎(chǔ)上進行基于矢量變換控制的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)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(zhuǎn)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(chǎn)生磁場
磁場

　　電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產(chǎn)生的。磁場的基本特征是能對其中的運動電荷施加作用力，磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源于此。

，若不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向呈正弦分布。行波磁場與次級相互作用產(chǎn)生電磁推力，使初級和次級產(chǎn)生相對運動。圖1所示為開發(fā)設(shè)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(tài)響應(yīng)快，相比較標量控制，在很快的時間內(nèi)就能達到穩(wěn)態(tài)運行。經(jīng)過30多年工業(yè)實踐的考驗、改進與提高，目前已經(jīng)達到成熟階段[3]，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(qū)動的方法。

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　　直線電機初級的三相電壓（U、V、W相）構(gòu)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(zhuǎn)電機矢量變換理論，設(shè)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(zhuǎn)換稱為Clark變換，見式（1）。

　　從靜止坐標系到旋轉(zhuǎn)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(jù)旋轉(zhuǎn)電機的Park變換理論和兩電機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)電機定子，直線電機定子相當于旋轉(zhuǎn)電機動子。所以在旋轉(zhuǎn)電機中旋轉(zhuǎn)坐標系固定在動子上，旋轉(zhuǎn)坐標系隨著電機轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)坐標系”（實際上此坐標系是直線運動的，應(yīng)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(nèi)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(tǒng)設(shè)計

　　根據(jù)直線電機工作原理，采用矢量變換設(shè)計其控制驅(qū)動系統(tǒng)。

　　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(shù)字信號處理器，150MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短至6.67NS，內(nèi)置12位的AD轉(zhuǎn)換器
轉(zhuǎn)換器

　　轉(zhuǎn)換器從原理上可分為協(xié)議轉(zhuǎn)換器、接口轉(zhuǎn)換器兩大類。從應(yīng)用上又可以分光纖轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器、視頻轉(zhuǎn)換器等等。例如視頻轉(zhuǎn)換器就是一種連接電腦和電視的設(shè)備，它可以把電腦上的內(nèi)容轉(zhuǎn)換并顯示在電視機上，讓人們可以在電視上學電腦，上網(wǎng)，玩游戲，做商業(yè)演示，看股票等等。 [全文]

，最小轉(zhuǎn)換時間為80ns[4]。功率驅(qū)動部分采用IPM模塊， PWM
PWM
　　PWM即脈沖寬度調(diào)制，是一種利用微處理器的數(shù)字輸出來控制模擬電路的控制技術(shù)。PWM以其控制簡單、靈活、效率高和動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。如今的很多微型控制器中都有PWM控制器。

頻率最高可達20K。

　　永磁同步直線電機驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示[!--empirenews.page--]

　　4.軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)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(wù)子程序5個部分。系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行初始化程序，實現(xiàn)對DSP內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測；然后執(zhí)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(tài)，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序[5]。 系統(tǒng)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(wù)子程序來完成。根據(jù)系統(tǒng)運行原理設(shè)計其軟件結(jié)構(gòu)。圖5為系統(tǒng)運行程序圖：

　　系統(tǒng)中斷子程序圖如圖4所示：

　　5 .結(jié)論

　　本文設(shè)計的算法程序已經(jīng)初步調(diào)試成功，能夠?qū)崿F(xiàn)基本運行，證明軟硬件設(shè)計的正確性。圖5所示為部分調(diào)試結(jié)果

　　由于直線電機端部效應(yīng)及外部載荷直接加載等特點，使得對直線電機控制系統(tǒng)穩(wěn)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(xù)改進。必須采取合適的控制算法和控制策略，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)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。