CN105915145B - 一种永磁直线同步电机控制装置及方法 - Google Patents

一种永磁直线同步电机控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种永磁直线同步电机控制装置和方法。本发明结合反演算法与动态面滑模方法设计永磁直线同步电机反演动态面滑模控制器，保留了反演法在实现不确定非线性系统鲁棒控制方面的优越性，又解决了反演滑模算法需要被控对象的精确建模信息的缺点，同时采用动态面的控制方法，利用一阶积分滤波器来计算虚拟控制的倒数，消除积分项的膨胀。该控制方法的设计包括主电路、控制电路和控制对象三部分；主电路包括整流滤波单元和IPM逆变单元；控制电路包括DSP、速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测；控制对象为三相永磁直线同步电机，机身装有光栅尺。实现了系统的快速响应，有效的削弱的系统的抖振，同时提高了系统的鲁棒性。

Description

一种永磁直线同步电机控制装置及方法
技术领域：本发明属于数控技术领域，特别涉及一种永磁直线同步电机控制装置及方法。
背景技术：当今先进制造装备和技术的关键核心是数控装备及技术，近年来，随着电力电子器件的性能不断提高，直驱控制技术的日趋成熟，用于数控机床的永磁同步直线电机受到了人们的重视，而大力发展以数控技术为核心的机械制造技术己成为世界上各国家提高国家地位和综合国力、加速经济发展的重要途径。经过国内外学者的共同努力，在直线电机本体和控制策略方面取得了相当多的成果。我国家也在大力扶持和推进直线电机控制与驱动技术的研究，所以研究直线电机新的控制技术，提高我国在直线电机领域的理论研究和工业应用水平具有重要意义。
工业中，传统系统大多采用旋转运动加机械变换环节(滚珠丝杠等)的传动方式，该方式由于存在中间环节，有很多不足之处，如：传动系统刚度降低、系统的阶次变高、鲁棒性降低、伺服性能下降、传动速度较低、产生摩擦环节多、运动平稳性较差、易产生噪声、重复定位精度低等，因此使数控机床最大进给速度受到制约，控制系统精度一般不高，此外，传统运动方式因机械传动机构复杂很难满足集车铣等多种功能为一体多轴联动复合加工中心的高性能要求。直线电机省略了中间环节，运动噪声低，可以产生连续单向或者是短行程往返直线运动，进给的行程长度不受限制，速度范围较宽，精度和重复精度较高，运动较平稳，消除了传统方式带来的影响，且具有比传统旋转电机大得多的加、减速度，提高了系统的反应能力和运动精度。但是直线电机采用的“零传动”方式使得一些不确定的扰动(如负载变化、自身扰动、外部扰动)不经过任何中间环节的缓冲而直接作用于直线电动机上，直接影响到直线电驱进给系统的性能；同时直线电动机存在端部效应、齿槽效应、推力波动等特性会降低机床系统的加工精度和伺服性能，增加了控制的难度。
目前，国内外已经研究和发表了很多控制理论和控制算法来改善直线系统的精度。在这些控制策略中，滑模控制较其他控制方法具有更好的鲁棒性，动态性能也较好。但传统滑模变结构控制的跟踪误差较大，系统响应速度也较慢，这难以满足高精度性能要求。
发明内容：
发明目的：本发明是一种永磁直线同步电机控制装置及控制方法方法，其目的在于满足数控技术的高精度、高速度的伺服系统性能要求，设计一种适用于永磁同步直线电机的高速度、高精度和强鲁棒性的伺服控制系统。
技术方案：
一种永磁直线同步电机控制装置，其特征在于：该装置包括主电路、控制电路和控制对象三部分；
所述主电路包括整流滤波单元和IPM逆变单元；
所述控制电路与所述IPM逆变单元连接并控制IPM逆变单元中的开关管通断；
所述控制电路中包括：
用于接收速度、电流信号，根据接收信号执行反演动态面滑模控制算法，产生控制IPM逆变单元开关管通断的驱动信号的DSP处理器；
与光栅尺连接，并将光栅尺采集的速度信号转变为数字量，输入DSP处理器的速度检测电路；
将检测到的电流模拟量转变为数字量，输入DSP处理器的电流检测电路；
用于隔离控制电路和IPM模块，同时驱动IPM模块中开关管工作的光耦隔离电路和驱动电路；
用于检测故障的故障检测电路；
所述控制对象为三相永磁直线同步电机，该电机的机身装有光栅尺。
所述的永磁直线同步电机控制装置，其特征在于：所述的整流滤波单元经IPM逆变单元的输出端连接三相永磁直线同步电机；IPM逆变单元经电流检测电路连接DSP处理器的A/D通道，永磁直线同步电机的输出端经光栅尺速度检测电路、编码器后，连接至DSP处理器的数字I/O口，DSP处理器的一路输出端经光耦隔离电路和驱动电路连接至IPM逆变单元的另一路输入端。
一种永磁直线同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：给定永磁直线同步电机速度信号，该速度信号转换为控制电机运转的电流信号，使电机开始运动；
步骤2：采集永磁直线同步电机动子的实测速度信号和电流信号；
步骤3：利用步骤2采集的数据，采用反演动态面滑模控制算法，得出控制律，即永磁直线同步电机的控制电流，整个计算过程均在DSP中实现；具体步骤如下：
步骤3.1建立永磁直线同步电机的机械运动方程和动态方程，如下：
建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程，确定永磁直线同步电机动子速度与控制电流关系式；
建立d-q轴坐标系：对于永磁直线同步电机，取永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，而超前d轴90度电度角的为q轴；
令电流内环d轴电流分量id＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电机的电磁推力方程和机械运动方程表达式为：
Fe＝kfiq (1)
式中，kf为电磁推力常数，iq为q轴电流，M为永磁直线同步电机动子及负载所带的总质量，FL为负载力，B为粘滞摩擦系数，v为动子速度，表示动子速度的一阶导数，即动子加速度；
则有：
式中d为动子的线位移；
状态变量选择为
在id＝0的情况下，此时，PMLSM系统的状态方程可简化为：
其中
考虑控制扰动，将状态方程写成标准形式
其中g(x，t)＝k1≠0
步骤3.2：设计反演动态面滑模控制器
步骤3.2.1：将永磁直线同步电机动子的实际位置与给定的永磁直线同步电机位置信号作差，得到系统位置跟踪误差，定义位置跟踪误差为：
z1＝d-d*＝x1-d* (8)
其中，d*为速度给定；选择z1为状态变量，构成子系统，
定义李雅普诺夫函数
定义z2＝x2-α1 (12)
则
取α1为的低通滤波器的输出，定义
且满足
则有
所产生的滤波误差定义为
步骤3.2.2考虑位置跟踪、虚拟控制和滤波误差，结合滑模变结构控制定义滑模面为
s＝z2 (18)
定义新的李雅普诺夫函数为
由于
则
其中
因为
B2为z1，z2，y2和的函数；
3.2.3设计控制器为
步骤3.2.4：步骤3.2.3输出的反演动态面滑模控制律u即为电流控制信号，该电流信号经IPM逆变电路，驱动永磁直线同步电机运动；
步骤4：DSP根据步骤3调整好的电流控制信号产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行。
所述的永磁直线同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：主控制程序步骤如下所示：
步骤1初始化系统；
步骤2读入EEPROM参数；
步骤3允许TN1、TN2中断；
步骤4开T1下溢中断；
步骤5程序数据初始化；
步骤6开总中断；
步骤7中断等待；
步骤8TN1中断处理子程序；
步骤9参数保存；
步骤10结束。
所述的永磁直线同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：
所述的TN1中断处理子控制程序如下列步骤所示：
步骤1TN1中断子控制程序；
步骤2保护现场；
步骤3读电流采样值；
步骤4执行CLARK变换，PARK变换；
步骤5判断是否进入速度；是进入步骤6，否则进入步骤7；
步骤6执行速度控制模块；
步骤7dq轴电流调节；
步骤8PARK逆变换；
步骤9执行PWM输出；
步骤10保存数据；
步骤11中断返回。
优点及效果：本发明采用反演动态面滑模控制器对位置误差信号处理计算，在永磁直线电机控制中，将反演算法与动态面滑模算法相结合的设计，保留了反演法在实现不确定非线性系统鲁棒控制方面的优越性，又解决了反演滑模算法需要被控对象的精确建模信息的缺点，同时采用动态面的控制方法，利用一阶积分滤波器来计算虚拟控制的倒数，消除积分项的膨胀，系统仍具有传统滑模的强鲁棒性特点且位置误差精度得到明显提高。采用上述方法，也使永磁直线同步电机拥有高速度、高精度和强鲁棒性的伺服系统性能。
附图说明：
图1为本发明设计的永磁直线同步电机控制硬件结构图；
图2为本发明方法中的主控制程序流程图；
图3为本发明方法中TN1中断处理子控制程序流程图；
图4为本发明方法中故障信号采集电路的电路原理图；
图5为本发明方法中整流逆变输出电路原理图；
图6为本发明方法中隔离驱动电路的电路原理图；
图7为本发明方法中电流检测电路的电路原理图；
图8为本发明方法中速度检测电路的电路原理图；
图9为本发明设计的反演动态面滑模控制方法原理图；
图10为本发明设计的反演动态面滑模控制系统框图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的技术方案进行具体的描述：
一种永磁直线同步电机控制装置，其硬件结构如图1所示，包括：主电路、控制电路和控制对象三部分；主电路包括整流滤波单元和IPM逆变单元；控制电路包括DSP、速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测；控制对象为三相永磁直线同步电机，且永磁直线同步电机机身装有光栅尺，用来采集永磁直线同步电机的速度信号。
其中：
整流滤波单元：与三相交流电源相连，将变化的交流电转变为稳定的直流电；
IPM逆变模块：将整流滤波单元输出的直流电逆变为交流电，提供给永磁直线同步电机；
控制电路：控制IPM逆变模块中的开关管通断，实现对永磁直线同步电机的控制；包括DSP、速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测；
DSP：接收速度、电流信号，根据接收信号执行反演动态面滑模控制算法，产生控制IPM模块开关管通断的驱动信号；
光耦隔离驱动电路：用于隔离控制电路和IPM模块，同时驱动IPM模块中开关管工作；
电流检测电路：将检测到的电流模拟量转变为数字量，输入DSP处理器进行处理；
速度检测电路：将光栅尺采集的速度信号转变为数字量，输入DSP处理器进行处理；
整流滤波单元经IPM逆变模块的输出端连接永磁直线同步电机，IPM逆变模块经电流检测电路连接DSP的A/D通道，永磁直线同步电机的输出端经光栅尺速度检测电路连接、编码器后，连接至DSP的数字I/O口，DSP的一路输出端经IPM模块隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端。
图2为本发明中主控制程序流程图，如图所示，按照以下步骤执行：
(1)初始化系统
(2)读入EEPROM参数
(3)允许TN1、TN2中断；
(4)开T1下溢中断；
(5)程序数据初始化；
(6)开总中断；
(7)中断等待；
(8)TN1中断处理子程序；
(9)参数保存
(10)结束
图3为本发明中TN1中断处理子控制程序流程图，如图所示，按照以下步骤执行：
(1)TN1中断子控制程序；
(2)保护现场；
(3)读电流采样值；
(4)执行CLARK变换，PARK变换；
(5)判断是否进入速度；是进入步骤6，否则进入步骤7；
(6)执行速度控制模块；
(7)dq轴电流调节；
(8)PARK逆变换；
(9)执行PWM输出；
(10)保存数据；
(11)中断返回。
如图5所示，整流逆变电路输出电路作为整个控制装置的输入端，用来接收用户给定的永磁直线同步电机的速度信号。电源提供的固定幅值相位的交流电通过整流电路得到稳定的直流值，然后直流电通过IPM逆变电路，逆变成可以驱动永磁直线同步电机的三相交流电，驱动永磁直线同步电机运动。整流逆变输出电路中的整流桥阳极连接到IPM主电源的N端，其阴极连接到IPM主电源的P端，IPM输出的三相电流通过输出端子U，V，W接至永磁同步直线电机PMLSM。P、N为变频器的整流变换平滑滤波后的IPM主电源输入端子，P为正端，N为负端。整流滤波单元采用桥式不可控制整流方式，大电容滤波，这样可以获得适合于IPM工作的恒定电压。
隔离驱动电路如图6所示。该电路具有高集成度和小体积的特点，其内部封装了门极驱动控制电路、故障检测电路和各种保护电路，用隔离驱动电路代替功率器件作为电源功率器件。电流通过IPM处理后，通入永磁直线同步电机中，电机实现运动。在电机运动的过程中，光栅尺检测电机的速度，电流检测由霍尔传感器来实现。速度和电流三个检测量通过检测电路送入DSP中，经过DSP中的控制算法的运算，将运算结果送入到IPM模块中，通过对IPM模块中功率器件通断的控制，来实现对电机的控制。
电流检测电路如图7所示。本系统采用LTS25-NP型传感器来检测电流，电流检测电路是把永磁同步电机的三相动子电流经传感器后送入DSP转换成数字形式并进行一系列的变换。由于本系统是三相平衡系统，即三相电流矢量和为零，因此只需要检测其中两相电流，就可以得到三相电流。
速度检测电路如图8所示。光栅尺信号不能直接连接到DSP引脚，所以将两相正交的方波脉冲信号A和B，通过高速光耦HCPL4504，送至DSP两个捕获单元QEP1(106引脚)和QEP2(107引脚)。DSP内部捕获单元可使用软件定义为正交编码脉冲输入单元，之后可以对脉冲进行计数，根据脉冲序列可以判断永磁直线同步电机的速度。
DSP内的信号处理过程为：给定永磁直线同步电机位置信号后，与经光栅尺检测到的实际位置信号做差，产生位置误差信号，将位置误差信号作为反演动态面滑模控制器的输入量，经自反演动态面滑模控制器计算得出电流控制信号，电流控制信号经DSP产生PWM脉冲序列，PWM脉冲序列控制IPM逆变电路的六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，送至永磁直线同步电机的动子，控制永磁直线同步电机的动子运动。
反演动态面滑模控制器的原理框图如图9所示，采用反演动态面滑模控制方法调整永磁直线同步电机动子的位置、速度信号，具体步骤如下：
步骤1建立永磁直线同步电机的机械运动方程和动态方程，如下：
步骤1.1：建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程，确定永磁直线同步电机动子速度与控制电流关系式；
建立d-q轴坐标系：对于永磁直线同步电机，取永磁体基波励磁磁场轴线(永磁体磁极轴线)为d轴，而超前d轴90度电度角的为q轴；
令电流内环d轴电流分量id＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电机的电磁推力方程和机械运动方程表达式为：
Fe＝kfiq (1)
式中，kf为电磁推力常数，iq为q轴电流，M为永磁直线同步电机动子及负载所带的总质量，FL为负载力，B为粘滞摩擦系数，v为动子速度，表示动子速度的一阶导数，即动子加速度；
则有：
式中d为动子的线位移。
状态变量选择为
在id＝0的情况下，此时，PMLSM系统的状态方程可简化为：
其中
考虑控制扰动，将状态方程写成标准形式
其中g(x，t)＝k1≠0
步骤.2：设计反演动态面滑模控制器
步骤2.1：将永磁直线同步电机动子的实际位置与给定的永磁直线同步电机位置信号作差，得到系统位置跟踪误差，定义位置跟踪误差为：
z1＝d-d*＝x1-d* (8)
其中，d*为速度给定；选择z1为状态变量，构成子系统，
定义李雅普诺夫函数
定义z2＝x2-α1 (12)
则
取α1为的低通滤波器的输出，定义
且满足
则有
所产生的滤波误差定义为
步骤2.2考虑位置跟踪、虚拟控制和滤波误差，结合滑模变结构控制定义滑模面为
s＝z2 (18)
定义新的李雅普诺夫函数为
由于
则
其中
因为
2.3设计控制器为
反演动态面滑模控制能够提高系统的跟踪精度，系统的动态响应更快，同时具有较强的鲁棒性能。虽然以上描述了本发明的具体实施方式，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种永磁直线同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：给定永磁直线同步电机速度信号，该速度信号转换为控制电机运转的电流信号，使电机开始运动；
步骤2：采集永磁直线同步电机动子的实测速度信号和电流信号；
步骤3：利用步骤2采集的数据，采用反演动态面滑模控制算法，得出控制律，即永磁直线同步电机的控制电流，整个计算过程均在DSP中实现；具体步骤如下：
步骤3.1建立永磁直线同步电机的机械运动方程和动态方程，如下：
建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程，确定永磁直线同步电机动子速度与控制电流关系式；
建立d-q轴坐标系：对于永磁直线同步电机，取永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，而超前d轴90度的电度角为q轴；
令电流内环d轴电流分量id＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电机的电磁推力方程和机械运动方程表达式为：
Fe＝kfiq (1)
式中，kf为电磁推力常数，iq为q轴电流，M为永磁直线同步电机动子及负载所带的总质量，FL为负载力，B为粘滞摩擦系数，v为动子速度，表示动子速度的一阶导数，即动子加速度；
则有：
式中d为动子的线位移；
状态变量选择为
在id＝0的情况下，此时，PMLSM系统的状态方程可简化为：
其中
考虑控制扰动，将状态方程写成标准形式
其中g(x，t)＝k1≠0
步骤3.2：设计反演动态面滑模控制器
步骤3.2.1：将永磁直线同步电机动子的实际位置与给定的永磁直线同步电机位置信号作差，得到系统位置跟踪误差，定义位置跟踪误差为：
z1＝d-d*＝x1＝d* (8)
其中，d*为速度给定；选择z1为状态变量，构成子系统，
定义李雅普诺夫函数
定义z2＝x2-α1 (12)
则
取α1为的低通滤波器的输出，定义
且满足
则有
所产生的滤波误差定义为
步骤3.2.2考虑位置跟踪、虚拟控制和滤波误差，结合滑模变结构控制定义滑模面为
s＝z2 (18)
定义新的李雅普诺夫函数为
由于
则
其中
因为
B2为z1，z2，y2和的函数；
3.2.3设计控制器为
步骤3.2.4：步骤3.2.3输出的反演动态面滑模控制律u即为电流控制信号，该电流信号经IPM逆变电路，驱动永磁直线同步电机运动；
步骤4：DSP根据步骤3调整好的电流控制信号产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行。
2.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：主控制程序步骤如下所示：
步骤1 初始化系统；
步骤2 读入EEPROM参数；
步骤3 允许TN1、TN2中断；
步骤4 开T1下溢中断；
步骤5 程序数据初始化；
步骤6 开总中断；
步骤7 中断等待；
步骤8 TN1中断处理子程序；
步骤9 参数保存；
步骤10 结束。
3.根据权利要求2所述的永磁直线同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：所述的TN1中断处理子控制程序如下列步骤所示：
步骤1 TN1中断子控制程序；
步骤2 保护现场；
步骤3 读电流采样值；
步骤4 执行CLARK变换，PARK变换；
步骤5 判断是否进入速度；是进入步骤6，否则进入步骤7；
步骤6 执行速度控制模块；
步骤7 dq轴电流调节；
步骤8 PARK逆变换；
步骤9 执行PWM输出；
步骤10 保存数据；
步骤11 中断返回。
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永磁直线电机自适应反推滑模鲁棒跟踪控制;关丽荣等;《电气传动》;20090630;第39卷(第6期);第58-61页 *
高空电推进系统的积分滑模反演速度控制;杨前等;《电机与控制学报》;20120630;第16卷(第6期);第50-56页 *

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