CN105322832A - 一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法，根据工作过程中动铁式磁浮平面电机线各个圈温度分布模型，计算平面电机线圈的实时电阻值，通过线圈的实时电阻值计算PI控制器的参数变量，从而调控PI控制器的输出。本发明解决上述现有动铁式磁浮平面电机的局限性，根据工作过程中动铁式磁浮平面电机线圈温度分布模型,为动铁式磁浮平面电机线圈电流驱动器提供一种控制参数实时调整方法，提升线圈电流驱动环路控制性能。

Description

一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法。

背景技术

动铁式磁浮平面电机可以极大简化平面运动机构，减轻运动质量，动子不产生热量且无电缆管线干扰，可实现无摩擦、无磨损的高速精密运动，是目前大行程精密运动系统研究的热点,其结构如图1所示。由于磁浮电机为6自由度悬浮运动，且为多线圈冗余驱动，其解耦控制计算非常复杂。应用于IC制造装备领域的磁浮平台，其控制精度要求达到亚微米级甚至纳米级。为获得高的控制特性：1)必须按照系统动力学特性进行驱动力精确计算2)系统具有优异的驱动性能及合理的控制策略。磁浮平面电机特殊的结构及工作模式决定了其工作过程中线圈温度上升无法避免。磁浮平面电机工作中需要大电流驱动，由此产生大量热量。虽经冷却，如图2所示工作中线圈温度仍能超过300℃及更高。如此高的温度将直接导致电机损坏，故线圈周围需安装水冷装置对其降温。因水冷装置只能降低线圈表面温度，而无法有效降低线圈内部温度,该方法并不能够完全杜绝工作时电机温度上升.

磁浮电机温度上升首先引起的问题是电流环被控对象增益发生变化，根据铜的温度-电阻率可知，在线圈温度上升50℃时其内阻将上升20％，被控对象增益在20％内的变动对系统控制性能并没有多少影响，而在增益幅值变化超过20％，很难找到一组固定的伺服增益来适应这样的变化范围。且对于磁浮平台苛刻的控制精度而言(最大速度2m/s，最大加速度高达10g，其中g表示重力加速度，运动过程中跟随误差需控制在亚微米级甚至纳米级)，这些指标对控制环路动态控制性能要求是苛刻的。电流环路是磁浮电机控制系统的底层，在运动控制系统多联控制回路调试过程中，必须遵循先内环调试再外环调试的原则，故整系统是在电流环基础上建立控制模型。因此平面电机工作过程中电流环性能直接关系到电机控制精度及控制系统设计和调试难度。

发明内容

本发明的发明目的是解决上述现有动铁式磁浮平面电机的局限性，根据工作过程中动铁式磁浮平面电机线圈温度分布模型,为动铁式磁浮平面电机线圈电流驱动器提供一种控制参数实时调整方法，提升线圈电流驱动环路控制性能。

本发明一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法，根据工作过程中磁浮平面电机线圈温度分布模型,为动铁式磁浮平面电机线圈电流驱动器提供一种控制参数实时调整，包括如下步骤：

a.根据工作过程中动铁式磁浮平面电机线各个圈温度分布模型，利用公式

$T_{n,m}^t=T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}+\frac{\mathrm{\Δt}}{C}{R}_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}{\left(I_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}\right)}^2+\frac{\mathrm{\Δt}}{C}{P}_{\mathrm{xyz}}$

计算工作过程中线圈温度变化情况；其中,表示第n行m列的线圈在t时刻温度,表示第n行m列的线圈在t-Δt时刻温度,其中Δt为时间变量，为第n行m列的线圈在t-Δt电阻值，C表示该线圈的热容，P_xyz为第n行m列的线圈传递到周围的能量；

b.通过线圈在t时刻的实时温度实时计算所述的磁浮平面电机工作时第n行m列的线圈在t时刻的实时电阻值

c.已知所述的线圈作为被控对象的实时电阻随着温度的改变而改变，通过计算预知变量计算出PI控制器随实时变化的参数变量K_P和K_i；其中K_P是PI控制器的比例系数,K_i是PI控制器的积分系数；

d.基于PI控制器中传递函数方程的参数变量K_P和K_i的变更来调控PI控制器的输出U(t)，计算公式为 $U\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)\mathrm{dt}.$

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有的动铁式磁浮电机闭环控制系统分为速度环、位置环、电流环。线圈阵列中单独线圈都由独立的电流环路进行电流输出控制，单元电流环其基本结构如图2所示。而PI控制器是整个电流环的核心部分，其参数选择直接关系到电流环控制性能。由于I的存在消除了稳态误差，但也是注入相位之后，降低系统控制实时性，同样高的增益会放大噪声，因此增益设置过高的代价是降低了控制系统的性能，设置比例环节的增益需要与噪声消除之间进行平衡。对与被控对象参数发生变化的系统，增加PI参数值能够减小由于被控对象参数发生变化造成的影响。但综合上述原因及硬件等方面的因素，不能无限制的设置PI参数。本发明通过动铁式磁浮平面电机线圈温度分布模型，计算出被控对象根据温度变化的实时电阻，根据实时电阻的变化计算出PI控制器的PI参数，以此保证被控对象增益发生改变时控制性能一致性。极大地提升线圈电流驱动环路控制性能。

而动铁式磁浮平面电机工作过程中,根据动子所处位置及运动路径等因素，各个线圈通过的驱动电流并不相同，造成各个线圈温度不均匀相等，运用工作过程中动铁式磁浮平面电机线圈温度分布模型，可以准确计算工作过程中线圈温度变化情况。

作为优选，步骤a中所述的平面电机线圈包括线圈层、环氧树脂层和水冷层，P_xyz的估算公式为 $P_{\mathrm{xyz}}=\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m-1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_y}(T_{n-1,m}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_y}(T_{n,m+1}^t-T_{n,m}^t)+$ $\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m+1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{\mathrm{Rz}}(T_{\mathrm{\α}}^t-T_{n,m}^t),$ 其中R_x、R_y、R_z表示线圈在各个方向的热阻参数；分别表示t时刻该线圈周边线圈的温度，表示t-Δt时刻水冷层的温度；

作为优选，步骤b的计算公式为T_nt表示常温，R₀表示常温T_nt时线圈电阻，TCR表示电阻温度系数。电机工作过程中各个线圈阵列中各个线圈温度发生不等的上升,线圈的温度升高会改变线圈的实时电阻值，实时电阻的计算公式由推导所得，其中R₀为线圈温度为T₀时的线圈电阻，为线圈在温度为时的线圈电阻。

作为优选，步骤c的计算公式为， $K_p=K_{p0}\frac{\frac{1}{R_0}}{\frac{1}{R_{n,m}^t}}=K_{p0}(\mathrm{TCP}\·(T_{n,m}^t-T_{\mathrm{nt}})+1),$ 其中K_p0代表常温T_nt下PI控制器的比例系数,K_i0代表常温T_nt下PI控制器的积分系数。对被控对象比例增益改变会引起整个回路增益的改变，采用定参PI控制器并不能保证在被控对象参数变化时电流环动态性能一致。为此，本发明找到一种控制机制，对于每一个有界平衡输出参考，在负载改变时，使得有关控制器的输出尽可能紧密收敛于参考输出。

附图说明

图1是现有技术中公开的动铁式磁浮平面电机。

图2是动铁式磁浮电机控制系统中单元电流环结构图。

图3是本发明一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法的步骤图。

图4是本发明的平面结构示意图。

图5是本发明的立面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示本发明一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法，根据工作过程中磁浮平面电机线圈温度分布模型,为动铁式磁浮平面电机线圈电流驱动器提供一种控制参数实时调整，包括如下步骤：

a.根据工作过程中动铁式磁浮平面电机线各个圈温度分布模型，利用公式

$T_{n,m}^t=T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}+\frac{\mathrm{\Δt}}{C}{R}_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}{\left(I_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}\right)}^2+\frac{\mathrm{\Δt}}{C}{P}_{\mathrm{xyz}}$

计算工作过程中线圈温度变化情况；其中,表示第n行m列的线圈在t时刻温度,表示第n行m列的线圈在t-Δt时刻温度,其中Δt为时间变量，为第n行m列的线圈在t-Δt电阻值，C表示该线圈的热容，P_xyz为第n行m列的线圈传递到周围的能量。

b.通过线圈在t时刻的实时温度实时计算所述的磁浮平面电机工作时第n行m列的线圈在t时刻的实时电阻值

c.已知所述的线圈作为被控对象的实时电阻随着温度的改变而改变，通过计算预知变量计算出PI控制器随实时变化的参数变量K_P和K_i；其中K_P是PI控制器的比例系数,K_i是PI控制器的积分系数；

d.基于PI控制器中传递函数方程的参数变量K_P和K_i的变更来调控PI控制器的输出U(t)，计算公式为 $U\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)\mathrm{dt}.$

步骤a中所述的平面电机线圈包括线圈层、环氧树脂层和水冷层，P_xyz的估算公式为 $P_{\mathrm{xyz}}=\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m-1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_y}(T_{n-1,m}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_y}(T_{n,m+1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m}^t-T_{n,m}^1)+\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m+1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{\mathrm{Rz}}(T_{\mathrm{\α}}^t-T_{n,m}^t)$ ，其中R_x、R_y、R_z表示线圈在各个方向的热阻参数；分别表示t时刻该线圈周边线圈的温度，表示t-Δt时刻水冷层的温度；

步骤b的计算公式为T_nt表示常温，R₀表示常温时线圈电阻，TCR表示电阻温度系数。

步骤c的计算公式为， $K_p=K_{p0}\frac{\frac{1}{R_0}}{\frac{1}{R_{n,m}^t}}=K_{p0}(\mathrm{TCP}\·(T_{n,m}^t-T_{\mathrm{nt}})+1),$ 其中K_p0代表常温T_nt下PI控制器的比例系数,K_i0代表常温T_nt下PI控制器的积分系数。

更具体地，在平面电机刚开始运转时，步骤a中的初始值取常温下的电阻值R₀。

本发明中，利用了J.M.MRovers的平面电机线圈温度分布模型。如图4所示，鱼骨式排列线圈阵列为例，电阻排列可用图中形式表示，每个线圈的热阻参数可通过图示中的R_x、R_y和R_z表示。以第n行m列的线圈在t时刻温度为第n行m列的线圈在t-Δt时刻温度为其中Δt为时间变量，则第n行m列的线圈的温度从到变化的过程中所消耗的能量为P_stored，其中第n行m列的线圈自身电阻消耗的能量为P_ohm，第n行m列的线圈传递到周围的能量为P_xyz，根据能量守恒可知P_xyz+P_ohm＝P_stored。P_xyz可用以下公式估算： $P_{\mathrm{xyz}}=\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m-1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_y}(T_{n-1,m}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_y}(T_{n,m+1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m}^t-T_{n,m}^1)+\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m+1}^t-T_{n,m}^t)+\frac{1}{\mathrm{Rz}}(T_{\mathrm{\α}}^t-T_{n,m}^t)$ ；而P_ohm可以用公式进行计算，P_stored的计算公式为从而得到本发明所运用的计算公式：

$\begin{array}{c}{T}_{n,m}^t=T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}+\frac{\mathrm{\Δt}}{C}{R}_{n,m}{\left(I_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}}\right)}^2+\frac{\mathrm{\Δt}}{C}[\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m}^{t-\mathrm{\Δt}}-T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}})+\frac{1}{R_x}(T_{n-1,m-1}^{t-\mathrm{\Δt}}-T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}})\\ +\frac{1}{R_y}(T_{n,m-1}^{t-\mathrm{\Δt}}-T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}})+\frac{1}{R_y}(T_{n,m+1}^{t-\mathrm{\Δt}}-T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}})\\ +\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m}^{t-\mathrm{\Δt}}-T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}})+\frac{1}{R_x}(T_{n+1,m+1}^{t-\mathrm{\Δt}}-T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}})\\ +\frac{1}{R_z}(T_a^{t-\mathrm{\Δt}}-T_{n,m}^{t-\mathrm{\Δt}})]\end{array};$

本申请文件所述的PI控制器为比例积分控制器，主要用于在系统稳定的基础上提高无差度，而使稳态性能得以明显改善。

除此之外，电流环路中放大电路可采用一阶延时环节代替，由于电流环工作频率为1Khz以下的低频段，故线圈电感对于由温度造成变电阻变化量而言对控制系统影响可忽略不计。在计算负载增益变化主要表现为阻性改变，其被控对象可近似表示为

$\frac{1}{R_{n,m}^t+\mathrm{Ls}}\≈\frac{1}{R_{n,m}^t},$ L代表线圈电感。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法，其特征在于：根据工作过程中动铁式磁浮平面电机线圈温度分布模型,为动铁式磁浮平面电机线圈电流驱动器提供一种控制参数实时调整，包括如下步骤：

a.根据工作过程中动铁式磁浮平面电机线各个圈温度分布模型，利用公式

计算工作过程中线圈温度变化情况；其中,表示第n行m列的线圈在t时刻温度,表示第n行m列的线圈在t-Δt时刻温度,其中Δt为时间变量，为第n行m列的线圈在t-Δt电阻值，C表示该线圈的热容，P_xyz为第n行m列的线圈传递到周围的能量。

b.通过线圈在t时刻的实时温度实时计算所述的磁浮平面电机工作时第n行m列的线圈在t时刻的实时电阻值

c.已知所述的线圈作为被控对象的实时电阻随着温度的改变而改变，通过计算预知变量计算出PI控制器随实时变化的参数变量K_P和K_i；其中K_P是PI控制器的比例系数,K_i是PI控制器的积分系数；

d.基于PI控制器中传递函数方程的参数变量K_P和K_i的变更来调控PI控制器的输出U(t)，计算公式为

2.根据权利要求1所述的一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法，其特征在于：步骤a中所述的平面电机线圈包括线圈层、环氧树脂层和水冷层，P_xyz的估算公式为 其中R_x、R_y、R_z表示线圈在各个方向的热阻参数；分别表示t时刻该线圈周边线圈的温度，表示t-Δt时刻水冷层的温度。

3.根据权利要求1所述的一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法，其特征在于：步骤b的计算公式为T_nt表示常温，R₀表示常温T_nt时线圈电阻，TCR表示电阻温度系数。

4.根据权利要求1所述的一种提升磁浮平面电机线圈电流驱动器控制精度的方法，其特征在于：步骤c的计算公式为， 其中K_p0代表常温T_nt下PI控制器的比例系数,K_i0代表常温T_nt下PI控制器的积分系数。