CN104716885A - 一种两自由度直线感应电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机电控制领域，特别涉及一种对旋转弧形直线感应电机和直线弧形直线感应电机进行控制的两自由度直线感应电机控制方法，该方法将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制。本发明提供了一种将旋转运动部分矢量控制和直线运动部分矢量控制、使得两者结合使电机伺服系统达到稳定、高精度的目的两自由度直线感应电机控制方法。

Description

一种两自由度直线感应电机控制方法

技术领域

本发明涉及机电控制领域，特别涉及一种对旋转弧形直线感应电机和直线弧形直线感应电机进行控制的两自由度直线感应电机控制方法。

背景技术

在实际生产加工过程中，使用的螺旋钻床、螺旋压缩机、塑料挤出机及螺旋泵等装置的驱动电机，都需要驱动轴做两自由度运动。传统技术通过多个电机以及机械传动装置来实现驱动轴进行两自由度运动，传统技术中的解决方案不仅控制方式复杂，而且还需要很多价值昂贵、体积庞大的机械传动装置。此外，由于传动组件及轴承均承受较大的轴向力，导致这些组件的机械磨损相当大，设备损耗严重。针对这种问题，一种两自由度直线感应电机得到了应用。该电机由旋转运动直线弧形电机、直线运动直线弧形电机、运动轴等构成。旋转运动直线弧形电机和直线运动直线弧形电机的桥弓形定子合二为一，并共用一个圆柱形动子，可直接驱动负载做直线、旋转、螺旋运动，该电机可以直接驱动负载做直线、旋转、螺旋运动，具有结构简单、紧凑、传动机构简洁、轴承磨损小的优点。但是由于该种电机的结构较为独特，因此需要采用特定的控制方法。

两自由度直线感应电机从本质上来说，属于直线感应电机的一种。直线感应电机的控制一般采用较为成熟的矢量控制方法，该方法将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制。

发明内容

本发明的目的在于根据上述现有技术的特点提供一种结构简单、轴承磨损小的分别控制产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量的特定的两自由度直 线感应电机控制方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种两自由度直线感应电机控制方法，分别对旋转弧形直线感应电机和直线弧形直线感应电机进行控制，其控制方法包含以下步骤：

步骤1：采用旋转编码器测量旋转运动部分运动轴的旋转速度n，采用直线编码器测量直线运动部分运动轴的直线速度v；

步骤2：采用电流传感器采集旋转运动部分绕组三相电流和直线运动部分绕组三相电流，并将两组三相电流分别进行坐标变换，得到旋转部分的电流i_rd、i_rq和直线部分的电流i_ld、i_lq；

步骤3：通过旋转部分的电流i_ld、i_lq计算出旋转部分的转子定向磁场大小ψ_r，通过直线部分的电流i_ld、i_lq计算出直线部分的转子定向磁场ψ_l大小；

步骤4：通过旋转部分的电流i_ld、i_lq与计算出的旋转部分的转子定向磁场大小ψ_r计算出转子磁链空间矢量角和转矩T，通过直线部分的电流i_ld、i_lq和计算出直线部分的转子定向磁场ψ_l计算出直线运动的次级磁链空间矢量角和推力F；

步骤5：通过旋转部分给定的磁链与旋转部分的转子定向磁场ψ_r相减后再经PI调节器得到旋转运动部分定子电流i_rd ^*，通过直线部分给定的磁链与直线部分的转子定向磁场ψ_l相减后再经PI调节器得到直线部分定子电流i_ld ^*；

步骤6：通过旋转部分给定的转速n^*与旋转运动部分运动轴的旋转速度n相减再经PI调节器得到旋转部分的转矩给定T^*,通过直线部分给定的直线速度v^*与旋转运动部分运动轴的旋转速度v相减后再经PI调节器得到直线部分的推力给定F^*；

步骤7：通过第6步得到的T^*与第4步计算出的实际转矩T相减后再经PI调节器得到旋转运动部分定子电流通过第6步得到的F^*与第4步计算出的 实际推力F相减后再经PI调节器得到直线运动部分定子电流

步骤8：将所得到i_rd ^*，进行反变换，得到旋转运动部分三相给定电流i_rabc ^*，将所得到得i_ld ^*，进行反变换，得到直线运动部分三相给定电流i_labc ^*；

步骤9：旋转部分三相给定电流i_rabc ^*与实际电流i_rabc ^*对应相减经过滞环比较器后，得到PWM波信号；直线部分三相给定电流i_labc ^*与实际电流i_rabc对应相减经过滞环比较器后，得到旋转部分的PWM波信号，将所得PWM信号送入逆变器中。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：本发明实现了对两自由度直线感应电机的旋转运动部分和直线运动部分精确的矢量控制。能够控制两自由度直线感应电机输出精确的旋转运动、直线运动和螺旋运动形式，使得两自由度直线感应电机能够应用到机器人、数控机床、芯片生产线等需要精密两自由度运动的场合。

附图说明

图1为本发明两自由度直线感应电机整体结构图。

图2为本发明两自由度直线感应电机定子部分结构图。

图3为本发明两自由度直线感应电机的控制框图。

图4为本发明两自由度直线感应电机旋转运动部分控制框图。

图5为本发明两自由度直线感应电机直线运动部分控制框图。

图中标注为：1、定子部分；2、运动轴；3、旋转运动部分定子结构；4、直线运动部分定子结构。

具体实施方式

一种两自由度直线感应电机控制方法主要包括：旋转运动部分矢量控制和直线运动部分矢量控制，两者结合使电机伺服系统达到稳定、高精度的目的。

图1为两自由度直线感应电机的结构图，1为两自由度直驱感应电机的定子，2为电机的运动轴。

图2为两自由度直线感应电机的定子结构图，其中3为旋转部分定子，4为直线运动部分定子。

当两自由度直线感应电机旋转部分定子绕组通电时，旋转部分定子产生旋转磁场，使运动轴输出旋转运动。当两自由度直线感应电机直线部分定子绕组通电时，直线部分定子产生行波磁场，使运动轴输出直线运动。当旋转部分与直线部分绕组均通电时，电机将产生螺旋磁场使运动轴输出螺旋运动。

如图3所示为两自由度直线感应电机的整体控制框图，将旋转运动部分的三相电流信号和转速信号送到旋转运动部分控制单元，将直线运动部分的三相电流信号和速度信号送到直线运动部分控制单元。

如图4所示，为两自由度直线感应电机旋转运动部分的控制框图，两自由度直线感应电机旋转运动部分的控制方法按照如下步骤进行：

步骤A1、采用旋转编码器测量旋转运动部分运动轴的旋转速度n及转子角速度ω,采样旋转运动部分定子三相电流i_ra、i_rb、i_rc，通过坐标变换转换至同步坐标系下i_rd、i_rq，转换等式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}\\ i_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}}\\ i_{\mathrm{rb}}\\ i_{\mathrm{rc}}\end{array}\right];$

步骤A2、根据得到的i_rd、i_rq，依据转子磁链定向的公式，可以求出转子的磁链:

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{R_r(L_m-L_{r}f\left(Q\right))i_{\mathrm{rq}}}{R_r(1+f\left(Q\right))+(L_r-L_{m}f\left(Q\right))p};$

式中R_r为旋转运动部分转子电阻，L_m为两相坐标系下定转子互感，L_r为旋 转运动部分两相坐标系下的转子电感，f(Q)为端部效应函数，p为微分算式，通过给定的与观测所得ψ_r相减后再经PI调节器得到旋转运动部分给定电流i_rd ^*；

步骤A3、由步骤A1和步骤A2所得结果可以求得Dq坐标系同步旋转角速度为ω₁：

${\mathrm{\ω}}_1=\mathrm{\ω}+\frac{L_m{R}_r}{L_r{\mathrm{\ψ}}_r}{i}_{\mathrm{rq}},$

则旋转运动部分转子磁链空间矢量角为θ：

θ＝∫ω₁dt；

步骤A4、由步骤A1和步骤A2所得结果可以依据公式计算出旋转运动部分的电磁转矩为T：

$T=\frac{3}{2}{n}_p\left(\frac{L_m(1-f\left(Q\right))}{L_r-L_{m}f\left(Q\right)}{i}_{\mathrm{rd}}{\mathrm{\ψ}}_r(\frac{{L_m}^2}{L_r}-L_{m}f\left(Q\right)-\frac{{L_m}^2{(1-f\left(Q\right))}^2}{L_r-L_{m}f\left(Q\right)})i_{\mathrm{rd}}{i}_{\mathrm{rq}}\right),$

式中n_p为旋转部分的极对数；

步骤A5、通过给定的转速n^*与n相减再经PI调节器得到旋转部分的给定转矩T^*，通过T^*与步骤A4得到的电磁转矩T相减后再经PI调节器得到旋转运动部分定子电流

步骤6、将步骤A2得到的i_rd ^*与步骤A5得到的通过坐标变换，变换为定子三相电流公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}}^{*}\\ i_{\mathrm{rb}}^{*}\\ i_{\mathrm{rc}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}^{*}\\ i_{\mathrm{rq}}^{*}\end{array}\right];$

步骤A7、将所得到的给定三相电流分别于i_ra、i_rb、i_rc相减，通过滞环比较器输出6路PWM波到逆变器中，即完成旋转部分的矢量控制。

如图5所示，为两自由度直线感应电机直线运动部分的控制框图，两自由度直线感应电机直线运动部分的控制方法按照以下步骤进行：

步骤B1、采用直线编码器测量直线运动部分运动轴的直线速度v及直线角速度ω_l，采样直线运动部分定子三相电流i_la、i_lb、i_lc，通过坐标变换转换至同步坐标系下i_ld、i_lq，转换等式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ld}}\\ i_{\mathrm{lq}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right];$

步骤B2、根据得到的i_ld、i_lq，依据转子磁链定向的公式，可以求出次级磁链：

${\mathrm{\ψ}}_l=\frac{R_l(L_{m1}-L_{r1}f\left(Q\right))i_{\mathrm{rq}}}{R_l(1+f\left(Q\right))+(L_{r1}-L_{m1}f\left(Q\right))p};$

式中R_l为旋转运动部分转子电阻，L_m1为定转子两相坐标系下的互感，L_r1为直线运动部分两相坐标系下的次级电感，f(Q)为端部效应函数，p为微分算子，通过给定的次级磁链与观测所得次级磁链ψ_l相减后再经PI调节器得到直线运动部分定子电流i_ld ^*；

步骤B3、由步骤B1和步骤B2所得结果可以求得Dq坐标系同步旋转角速度为ω₂：

${\mathrm{\ω}}_2={\mathrm{\ω}}_l+\frac{L_{m1}{R}_l}{L_l{\mathrm{\ψ}}_l}{i}_{\mathrm{lq}},$

则直线运动部分转子磁链空间矢量角为θ_l：

θ_l＝∫ω₂dt

步骤B4、由步骤B1和步骤B2所得结果可以依据公式求出直线运动部分的电磁推力F：

$F=\frac{3\mathrm{\π}}{2\mathrm{\τ}}{n}_p\left(\frac{L_m(1-f\left(Q\right))}{L_r-L_{m}f\left(Q\right)}{i}_{\mathrm{rd}}{\mathrm{\ψ}}_r(\frac{{L_m}^2}{L_r}-L_{m}f\left(Q\right)-\frac{{L_m}^2{(1-f\left(Q\right))}^2}{L_r-L_{m}f\left(Q\right)})i_{\mathrm{rd}}{i}_{\mathrm{rq}}\right),$

式中n_p1为直线运动部分的极对数；

步骤B5、通过给定的直线速度v^*与步骤B1中得到的实际速度v相减再经PI调节器得到直线运动部分的转矩给定F^*，通过F^*与步骤B4得到的F相减后再经PI调节器得到旋转运动部分定子电流

步骤B6、将步骤B2得到的i_ld ^*与步骤B5得到的通过坐标变换，变换为定子三相电流公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}^{*}\\ i_{\mathrm{lb}}^{*}\\ i_{\mathrm{lc}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ld}}^{*}\\ i_{\mathrm{lq}}^{*}\end{array}\right];$

步骤B7、将所得到的给定三相电流分别于i_la、i_lb、i_lc相减，通过滞环比较器输出6路PWM波到逆变器中，即完成直线运动部分的矢量控制。

通过旋转运动控制单元实现对两自由度直线感应电机旋转运动部分的精确矢量控制，通过直线运动控制单元实现对两自由度直线感应电机直线运动部分的精确矢量控制，即完成两自由度直线感应电机的控制。

Claims (1)

1.一种两自由度直线感应电机控制方法，分别对旋转弧形直线感应电机和直线弧形直线感应电机进行控制，其控制方法包含以下步骤：

步骤1：采用旋转编码器测量旋转运动部分运动轴的旋转速度n，采用直线编码器测量直线运动部分运动轴的直线速度v；

步骤2：采用电流传感器采集旋转运动部分绕组三相电流和直线运动部分绕组三相电流，并将两组三相电流分别进行坐标变换，得到旋转部分的电流i_rd、i_rq和直线部分的电流i_ld、i_lq；

步骤3：通过旋转部分的电流i_ld、i_lq计算出旋转部分的转子定向磁场大小ψ_r，通过直线部分的电流i_ld、i_lq计算出直线部分的转子定向磁场ψ_l大小；

步骤4：通过旋转部分的电流i_ld、i_lq与计算出的旋转部分的转子定向磁场大小ψ_r计算出转子磁链空间矢量角和转矩T，通过直线部分的电流i_ld、i_lq和计算出直线部分的转子定向磁场ψ_l计算出直线运动的次级磁链空间矢量角和推力F；

步骤5：通过旋转部分给定的磁链与旋转部分的转子定向磁场ψ_r相减后再经PI调节器得到旋转运动部分定子电流i_rd ^*，通过直线部分给定的磁链与直线部分的转子定向磁场ψ_l相减后再经PI调节器得到直线部分定子电流i_ld ^*；

步骤6：通过旋转部分给定的转速n^*与旋转运动部分运动轴的旋转速度n相减再经PI调节器得到旋转部分的转矩给定T^*,通过直线部分给定的直线速度v^*与旋转运动部分运动轴的旋转速度v相减后再经PI调节器得到直线部分的推力给定F^*；

步骤7：通过第6步得到的T^*与第4步计算出的实际转矩T相减后再经PI调节器得到旋转运动部分定子电流通过第6步得到的F^*与第4步计算出的实际推力F相减后再经PI调节器得到直线运动部分定子电流

步骤8：将所得到i_rd ^*，进行反变换，得到旋转运动部分三相给定电流i_rabc ^*，将所得到得i_ld ^*，进行反变换，得到直线运动部分三相给定电流i_labc ^*；

步骤9：旋转部分三相给定电流i_rabc ^*与实际电流i_rabc ^*对应相减经过滞环比较器后，得到PWM波信号；直线部分三相给定电流i_labc ^*与实际电流i_rabc对应相减经过滞环比较器后，得到旋转部分的PWM波信号，将所得PWM信号送入逆变器中。