CN110350841A - 一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种尤其涉及一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置及方法，涉及数控技术领域。装置包括整流滤波电路、IPM逆变单元、电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路、光栅尺、DSP处理器、IPM隔离保护驱动电路和上位机，经霍尔传感器、光栅尺、检测电路采集永磁直线同步电机动子电流、位置、速度信号，在DSP中计算出跟踪误差，采用自适应非奇异快速终端滑模控制器对位置误差信号处理计算，得到电流控制信号，DSP处理器产生PWM脉冲序列，控制永磁直线同步电机的动子运动。本发明能使系统状态在有限时间内收敛到稳定状态，避免终端滑模的奇异性问题，降低对传感器的高要求，削弱抖振，提高系统跟踪精度和鲁棒性。

Description

一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及数控技术领域，尤其涉及一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置及方法。

背景技术

高档数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够根据已编好的程序，使机床动作并加工零件。数控机床是典型的机电一体化产品，它集微电子技术、计算机技术、测量技术、传感器技术、自动控制技术及人工智能技术等多种先进技术于一体，并与机械加工工艺紧密结合，是新一代机械制造技术装备。数控机床基本包括：加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置等。数控机床适用于单件小批量生产、形状比较复杂、精度要求较高的零件，这些零件广泛应用于汽车、航空航天、船舶、机床、重型机械等各种场合。与传统的机床相比，数控机床能获得更高的加工精度，能大大提高生产效率，保证加工的质量。我国的机床技术发展较晚，目前数控机床还是以低端和中端为主，高端的数控机床还主要靠进口，这样对于发展我国的机械经济有很大的阻碍作用，为此发展我国具有自主知识产权和自主创新的数控机床对我国的经济发展具有重大意义。

当前常见的数控机床都是采用滚珠丝杠，将伺服电机的旋转运动转变为直线运动，并实现工作台或刀架的运作。滚珠丝杠副是实现数控机床运行的重要传动构件，且展现出了较高的传动效率，灵敏度、稳定度、刚度、耐久性也在长期应用中表现良好。当前的滚珠丝杠副已经成为了批量、产业化生产的产品，所以其品质与精度已经趋于完善，但是在机床安装中，若是没有安装到位，仍会直接影响到机床运作的精度以及加工质量。此外，由于中间的滚珠丝杠传动结构也一定程度上增加了数控机床整体结构的设计难度。自1993年德国EX-CELL-O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来，直线电机在数控机床业中的应用得到迅速的发展，越来越多的机床制造商选用直线电机作为机床的驱动方式。近年来，随着模具、航天、船舶等领域对高档数控机床在高速、高精、高效率、复杂轮廓外形加工方面的需求不断提升，复合加工技术和多轴联动技术迅速发展。同时，在德国“工业4.0”和美国“工业互联网”的背景下，数控机床及制造设备在高效化、自动化、数字化和智能化方面不断提升。高档数控机床采用直线电机驱动是未来的发展趋势，大推力直线电机正在成为高档数控机床的关键基础部件，国家也将大力扶持和推进直线电机控制与驱动技术的研究。因此，研究直线电机新的控制技术，对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。

而永磁直线同步电机利用高能永磁体，省去了中间的转换机构，具有推力大、损耗低、运行可靠性高、时间常数小、装置简单、响应快等优点，极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度。由于永磁直线同步电机铁心和绕组的两个端部区域与中间位置的磁场分布显著不同，再加上参数摄动等不确定因素，很难精确的建立永磁直线同步电机的数学模型。同时，由于直线电机采用直接驱动方式，系统的负载扰动、参数摄动等不确定因素将直接作用于动子上，而没有任何中间的缓冲过程，这就大大增加了直线电机的控制难度。近年来，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定位系统的精度，然而在满足定位系统的可靠性和稳定性的前提下，将位置误差减小至最小是控制理论研究者共同的目标。

在这些控制策略中，滑模控制比其他方法具有更好的鲁棒性，动态性能也比较好。但传统的滑模控制中，可达到的跟踪精度比较低，难以满足高精度性能要求，而且传统滑模控制通常选用的是线性滑模面，这会导致系统状态的收敛性是渐近收敛的。虽然可以通过调整滑模控制参数以使收敛速度更快，但是这种收敛速度只能在无限时间内实现。对于高精度控制系统，快速的收敛速度是优先考虑的问题。

综上所述，为了满足数控技术的高精度、高速度的伺服系统性能要求，需要设计出适用于永磁直线同步电机的高速度、高精度和强鲁棒性的伺服控制系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置及方法，

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置，包括整流滤波电路、IPM逆变单元、电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路、光栅尺、DSP处理器、IPM隔离保护驱动电路和上位机；

整流滤波电路的输入端与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电，输出端与IPM逆变电路相连；

IPM逆变电路把整流滤波电路输出的直流电逆变成三相交流电，其输出端连接永磁直线同步电机，为永磁直线同步电机供电；

电流检测电路的输入端通过霍尔传感器连接IPM逆变电路的输出端，电流检测电路的输出端连接DSP处理器的一路信号输入端，用于通过霍尔传感器采集永磁直线同步电机的动子电流，电流检测电路将采集的电流模拟量转变为DSP处理器能识别的数字量；

位置速度检测电路的输入端通过光栅尺连接永磁直线同步电机的输出端，位置速度检测电路的输出端连接DSP处理器的另一路信号输入端，用于通过光栅尺采集永磁直线同步电机动子的位置、速度信号，位置速度检测电路将采集的位置、速度信号转化为DSP处理器能识别的数字量；

DSP处理器部分包括DSP处理器及其外围电路，用于将给定的位置信号与光栅尺检测永磁直线同步电机的位置信号作差，产生位置误差信号，将位置误差信号作为自适应非奇异快速终端滑模控制器的输入量，经自适应非奇异快速终端滑模控制器计算出滑模面、等效控制律和切换控制律，将系统不确定性上界根据泰勒级数展开定理展开，结合自适应律得到新的切换控制律，从而得到电流控制信号，电流控制信号经DSP处理器产生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；DSP处理器的PWM端口经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端；

IPM隔离驱动保护电路用于电气隔离IPM逆变电路与外部电路，即光电隔离，并驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作；

上位机中存储有通过Code Composer Studio 6.1.3软件以C语言编写的控制程序，控制程序首先对电流检测电路和位置速度检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将采集到的数据和给定的指令信号做差作为自适应非奇异快速终端滑模控制器的输入变量，执行自适应非奇异快速终端滑模控制算法，最后将以自适应非奇异快速终端滑模控制算法为核心的C语言程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，控制永磁直线同步电机的动子运动。

进一步地，所述DSP处理器采用TMS320F28335芯片，DSP处理器外围电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路、DSP复位电路；电平转换电路将12V电源电压转换为DSP处理器供电的3.3V工作电压；Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，由DSP处理器中断程序来处理故障；晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP处理器的X1接口和X2接口；JTAG电路用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题，JTAG接口电路的引脚1、2、3、7、9、11、13、14分别接DSP处理器的引脚79、78、76、77、87、87、85、86；复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中DS1818的1脚接DSP处理器的160脚。

另一方面，本发明还提供一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制方法，采用上述的高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置实现，包括以下步骤：

步骤1：给定永磁直线同步电机位置信号，将该位置信号转换为控制电机运转的电压电流信号，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位置信号、速度信号及电流；

电机运动后，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号；脉冲信号送DSP处理器的正交编码脉冲输入单元EQEP，进行四倍频处理，提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数确定动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，从而得出动子的位置信号；DSP处理器内部捕获单元对脉冲进行计数，再根据脉冲数除以采样周期得到永磁直线同步电机的速度；利用霍尔传感器采集动子电流；

步骤3：利用步骤2中计算出的数据，采用自适应非奇异快速终端滑模控制算法调整永磁直线同步电机动子的位置信号，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及系统动态方程；

对于永磁直线同步电机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电角度为q轴，建立d-q轴坐标系；假设忽略铁心饱和，含有永磁体区域是均匀的，不计涡流及磁滞损耗，仅考虑初级电枢绕组中磁动势的基波分量，空载时反电动势为正弦，次级的永磁体部分无阻尼绕组，忽略初级中的齿槽力波动，则电磁推力F_e表示为：

式中，i_d、i_q、L_d、L_q分别为d、q轴电流和电感；ψ_PM为永磁体磁链；n_p为极对数；τ为极矩；

根据磁场定向原理，取i_d ^*＝0，并假设L_d＝L_q＝L，电磁推力简化为：

式中，K_f为电磁推力常数；

永磁直线同步电机的机械运动方程为：

式中，M为永磁直线同步电机的动子质量；B为粘滞摩擦系数；v为动子速度；F为扰动，包括系统外部扰动、参数变化、端部效应及非线性摩擦力；

不考虑扰动F时，动态方程为：

式中，d(t)为动子位置；为动子速度；为动子加速度；A_n＝-B/M；B_n＝K_f/M；u为控制器输出，u＝i_q，即推力电流；

考虑扰动F时，动态方程为：

式中，C_n＝-1/M；ΔA、ΔB和ΔC分别为系统参数M和B所引起的不确定量；D为系统不确定性总和，表示为：

假设D有界，即|D|≤δ，δ为不确定性总和D的上界，为一正常数；

步骤3.2：根据步骤2中检测的永磁直线同步电机的实际位置信号与给定的永磁直线同步电机位置信号作差，得到系统跟踪误差e₁为：

e₁＝d(t)-d_m(t) (8)

其中，d(t)和d_m(t)分别为永磁直线同步电机的实际位置信号和给定位置信号；

系统跟踪误差e₁的一阶导和二阶导分别为：

其中，B(x)＝B_n，D(x)＝D；和分别为永磁直线同步电机给定位置信号的一阶导和二阶导；

依据泰勒级数展开定理，假设自适应控制输入不包含加速度函数，总的不确定性的上界是只包含位置和速度的函数，得出以下结论：

其中：a₀、a₁、a₂都是正数；

步骤3.3：设计滑模面和控制律；包括非奇异快速终端滑模控制器设计和自适应非奇异快速终端滑模控制器设计；

1)非奇异快速终端滑模控制器设计

针对永磁直线同步电机伺服系统位置跟踪控制问题，采用非奇异快速终端滑模控制方法，下面对滑模面和控制律进行设计：

滑模面定义：

s(t)＝e₁+k₁|e₁|^αsign(e₁)+k₂|e₂|^βsign(e₂) (12)

其中，k₁、k₂、α、β为正常数，且满足1＜β＜2，α＞β；sign(·)为符号函数，定义为

对式(12)求导得

选择合适滑模面后，设计等效控制律，是状态轨迹停留在滑模面s(t)＝0的必要条件，在不考虑不确定性的情况下由式(10)和式(14)得

令碍等效控制律为：

切换控制律为：

其中，η＞0，且是小的常数，k是切换增益，k＞0；

2)自适应非奇异快速终端滑模控制器设计

在实际应用中，系统不确定性的未知上界很难获得，采用自适应控制估计系统不确定性的未知上界，将非奇异快速终端滑模控制和自适应控制结合，提高系统的鲁棒性；采用自适应控制，将式(17)变为：

其中，用估计a₀、a₁、a₂；

因此，总的控制律表示为

定义自适应误差：

参数的自适应律为：

其中，μ₀、μ₁、μ₂是正常数；

步骤3.4：步骤3.3输出的自适应非奇异快速终端滑模控制律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处理器根据步骤3调整好的电流控制信号、DSP处理器产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行；

通过IPM隔离驱动保护电路将DSP处理器输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流滤波电路后，变为稳定的直流电送至IPM逆变电路，IPM逆变电路根据DSP处理器产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电机动子运行。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置及方法，采用自适应非奇异快速终端滑模控制器对位置误差信号处理计算，滑模面采用快速终端滑模面和非奇异终端滑模面相结合的设计，这种设计可以使系统状态在有限时间内收敛到稳定状态。当系统状态远离稳定状态时，不仅能够实现快速收敛，而且还能够避免终端滑模的奇异性问题。采用只需测量位置信息和速度信息的自适应控制对系统不确定性参数进行实时估计，降低了对传感器的高要求，削弱了抖振，进一步提高了系统的跟踪精度和鲁棒性。采用上述方法，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为本发明实施例提供的高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置总结构框图；

图2为一台永磁直线同步电机主电路原理图；

图3为本发明实施例提供的电流检测电路的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的位置速度检测电路的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的DSP处理器外围电路连接原理图；

图6为本发明实施例提供的DSP电源的电平变换电路的电路原理图；

图7为本发明实施例提供的Fault信号采集电路的电路原理图；

图8为本发明实施例提供的DSP晶振电路的电路原理图；

图9为本发明实施例提供的JTAG电路的电路原理图；

图10为本发明实施例提供的DSP复位电路的电路原理图；

图11为本发明实施例提供的IPM保护隔离驱动电路的电路原理图；

图12为本发明实施例提供的基于自适应非奇异快速终端滑模的永磁直线同步电机控制方法流程图；

图13为本发明实施例提供的基于自适应非奇异快速终端滑模控制算法原理图；

图14为本发明实施例提供的永磁直线同步电机空载时基于非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线图；

图15为本发明实施例提供的永磁直线同步电机空载时基于自适应非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线图；

图16为本发明实施例提供的永磁直线同步电机在0.5s突加负载为50N时基于非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线图；

图17为本发明实施例提供的永磁直线同步电机在0.5s突加负载为50N时基于自适应非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线图；

图18为本发明实施例提供的永磁直线同步电机变负载系统曲线图；

图19为本发明实施例提供的永磁直线同步电机变负载时基于非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线图；

图20为本发明实施例提供的永磁直线同步电机变负载时基于自适应非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置，其结构如图1所示，该装置基于自适应非奇异快速终端滑模控制实现电机控制，包括整流滤波电路、IPM逆变单元、电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路、光栅尺、DSP处理器、IPM隔离保护驱动电路和上位机。

永磁直线同步电机主电路原理图如图2所示。整流滤波电路作为整个控制装置的输入端，用来接收由用户给定的永磁直线同步电机的最终运动位置的信号。整流滤波电路的输入端与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电，输出端与IPM逆变电路相连。IPM逆变电路把整流滤波电路输出的直流电逆变成可以驱动永磁直线同步电机的三相交流电，其输出端连接永磁直线同步电机，为永磁直线同步电机供电。

整流滤波电路中的整流桥阳极连接到IPM逆变电路的N端，其阴极连接到IPM逆变电路的P端，IPM逆变电路输出的三相电流通过输出端子U、V、W接至永磁直线同步电机。P、N为变频器的整流变换平滑滤波后的IPM逆变电路输入端子，P为正端，N为负端。整流滤波电路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逆变电路工作的恒定电压。

本实施例中，若常开触点开关A闭合后，继电器k得电，然后触电K和触电k均闭合，此时整个整流、逆变输出电路和永磁直线同步电机开始工作。电机工作后，若按下常闭触电开关B，继电器失电，触电K和触电k均断开，此时整个系统停止工作。电路工作时，三相交流电经变压器，将220V电压转变为有效值大小约为IPM逆变电路输入端电压大小的三相交流电，然后经整流桥晶体管电路，得到脉动的直流电压，经大电容C滤波后，可以使脉动的直流电压变得稳定或平滑，然后将稳定的电压加在IPM逆变电路的PN两端。此时已经变换完成的直流电通过IPM逆变电路，逆变为可变压可变频的变频三相交流电，驱动永磁直线同步电机。其中IPM逆变电路中的IGBT是由控制电路输出的PWM脉冲序列控制其通断的，目的是为了得到满足要求的幅值相位的三相交流电。

电流检测电路，如图3所示。IPM逆变电路输出后的两相电流经霍尔电流传感器与两路电流检测电路相连，电流检测电路的输出端与DSP处理器的ADC端口相连，用于通过霍尔传感器采集永磁直线同步电动机的动子电流，电流检测电路将采集的电流模拟量转变为DSP处理器能识别的数字量。由于本实施例的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。本实施例采用LTS25-NP型传感器来检测电流。

位置速度检测电路，如图4所示。位置速度检测电路的输入端通过光栅尺连接永磁直线同步电机的输出端，位置速度检测电路的输出端与DSP的EQEP端口相连，用于通过光栅尺采集永磁直线同步电机动子的位置、速度信号，位置速度检测电路将采集的位置、速度信号转化为DSP处理器能识别的数字量。光栅尺信号不能直接连接到DSP处理器的引脚，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处理器的两个捕获单元EQEP1(90引脚)和EQEP2(91引脚)。DSP处理器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运动方向、位置和速度。

DSP处理器部分包括DSP处理器及其外围电路，用于将给定的位置信号与光栅尺检测永磁直线同步电机位置信号作差，产生位置误差信号，将位置误差信号作为自适应非奇异快速终端滑模控制器的输入量，经自适应非奇异快速终端滑模控制器计算得出电流控制信号，电流控制信号经DSP处理器产生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。

本实施例中，DSP处理器采用TMS320F28335芯片，其外围电路连接结构原理图如图5所示，DSP处理器外围电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路、DSP复位电路，分别如图6～10所示。电平转换电路将12V电源电压转换为DSP处理器供电的3.3V工作电压。Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，由DSP处理器中断程序来处理故障。晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP处理器的X1(104引脚)接口和X2(102引脚)接口。JTAG电路用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题，JTAG接口电路的引脚1、2、3、7、9、11、13、14分别接DSP处理器的引脚79、78、76、77、87、87、85、86。复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中DS1818的1脚接DSP处理器的160脚。

DSP处理器的PWM端口经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端。IPM隔离驱动保护电路，如图11所示，起到电气隔离IPM逆变电路与外部电路的作用，即光电隔离，并驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作。IPM隔离驱动保护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IPM隔离驱动保护电路代替功率器件作为电源功率器件。电流通过IPM逆变电路处理后，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，光栅尺检测电机的位置和速度，电流检测由霍尔传感器来实现。位置、速度和电流三个检测量通过检测电路送入DSP处理器，经过DSP中的自适应非奇异快速终端滑模控制算法的运算，将运算结果经IPM隔离保护驱动电路送入到IPM逆变电路中，通过对IPM逆变电路中功率器件通断的控制，来实现对电机的控制。

上位机中存储有通过Code Composer Studio 6.1.3软件以C语言编写的控制程序，控制程序首先对电流检测电路和位置速度检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将采集到的数据和给定的指令信号做差作为自适应非奇异快速终端滑模控制器的输入变量，执行自适应非奇异快速终端滑模控制算法，最后将以自适应非奇异快速终端滑模控制算法为核心的C语言程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，控制永磁直线同步电机的动子运动。

本实施例采用上述的高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置对永磁直线同步电机进行基于自适应非奇异快速终端滑模的控制方法，如图12所示，包括以下步骤：

步骤1：给定永磁直线同步电机位置信号，将该位置信号转换为控制电机运转的电压电流信号，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位置信号、速度信号及电流；

电机运动后，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号。脉冲信号送DSP处理器的正交编码脉冲输入单元EQEP，进行四倍频处理，提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数确定动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系可得动子的转向，从而得出动子的位置信号；DSP处理器内部捕获单元对脉冲进行计数，再根据脉冲数除以采样周期得到永磁直线同步电机的速度；利用霍尔传感器采集动子电流。

步骤3：利用步骤2中计算出的数据，采用自适应非奇异快速终端滑模控制算法调整永磁直线同步电机动子的位置信号，基于自适应非奇异快速终端滑模控制算法原理图如图13所示，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及系统动态方程；

对于永磁直线同步电机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电角度为q轴，建立d-q轴坐标系；假设忽略铁心饱和，含有永磁体区域是均匀的，不计涡流及磁滞损耗，仅考虑初级电枢绕组中磁动势的基波分量，空载时反电动势为正弦，次级的永磁体部分无阻尼绕组，忽略初级中的齿槽力波动，则电磁推力F_e表示为：

式中，i_d、i_q、L_d、L_q分别为d、q轴电流和电感；ψ_PM为永磁体磁链；n_p为极对数；τ为极矩。

根据磁场定向原理，取i_d ^*＝0，假设L_d＝L_q＝L，电磁推力可简化为：

式中，K_f为电磁推力常数。

永磁直线同步电机的机械运动方程为：

式中，M为永磁直线同步电机的动子质量；B为粘滞摩擦系数；v为动子速度；F为扰动，包括系统外部扰动、端部效应、参数变化及非线性摩擦力。

不考虑扰动F时，动态方程为：

式中，d(t)为动子位置；为动子速度；为动子加速度；A_n＝-B/M；B_n＝K_f/M；u为控制器输出，u＝i_q，即推力电流。

考虑扰动F时，动态方程为：

式中，C_n＝-1/M；ΔA、ΔB和ΔC分别为系统参数M和B所引起的不确定量；D为系统不确定性总和，表示为：

假设D有界，即|D|≤δ，δ为不确定性总和D的上界，为一正常数。

步骤3.2：根据步骤2中检测的永磁直线同步电机的实际位置信号与给定的永磁直线同步电机位置信号作差，得到系统跟踪误差e₁为：

e₁＝d(t)-d_m(t) (8)

其中，d(t)和d_m(t)分别为永磁直线同步电机的实际位置信号和给定位置信号。

系统跟踪误差e₁的一阶导和二阶导分别为：

其中：B(x)＝B_n和D(x)＝D。和分别为永磁直线同步电机给定位置信号的一阶导和二阶导。

依据泰勒级数展开定理，假设自适应控制输入不包含加速度函数，总的不确定性的上界是只包含位置和速度的函数，可以得出这样的结论：

其中：a₀、a₁、a₂都是正数。

步骤3.3：设计滑模面和控制律，包括非奇异快速终端滑模控制器设计和自适应非奇异快速终端滑模控制器设计。

1)非奇异快速终端滑模控制器设计

针对永磁直线同步电机伺服系统位置跟踪控制问题，采用了非奇异快速终端滑模控制方法，目的是去避免奇异性和提高系统的收敛速度，从而使永磁直线同步电机伺服系统对不确定性具有较强的鲁棒性能。下面对滑模面和控制律进行设计。

滑模面定义：

s(t)＝e₁+k₁|e₁|^αsign(e₁)+k₂|e₂|^βsign(e₂) (12)

其中，k₁、k₂、α、β为正常数，且满足1＜β＜2，α＞β；sign(·)为符号函数，定义为

当系统状态远离平衡状态时，子项k₁|e₁|^αsign(e₁)和k₂|e₂|^βsign(e₂)相比，占主导地位优势，从而保证了较高的收敛率，而且当系统状态接近平衡状态时，子项k₂|e₂|^βsign(e₂)保证了系统在有限时间内的收敛性。

对式(12)求导得

选择合适滑模面后，设计等效控制律，是状态轨迹停留在滑模面s(t)＝0的必要条件，在不考虑不确定性的情况下由式(10)和式(14)得

令得等效控制律为：

切换控制律为：

其中，η＞0且是小的常数，k是切换增益，k＞0。

2)自适应非奇异快速终端滑模控制器设计

在实际应用中，系统不确定性的未知上界是很难获得的。采用自适应控制估计系统不确定性的未知上界，将非奇异快速终端滑模控制和自适应控制结合，提高系统的鲁棒性。采用自适应控制，将式(17)变为：

其中，用估计a₀、a₁、a₂。

因此，总的控制律表示为

定义自适应误差：

参数的自适应律为：

其中：μ₀、μ₁、μ₂是正常数。

步骤3.4：步骤3.3输出的自适应非奇异快速终端滑模控制律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处理器根据步骤3调整好的电流控制信号，DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行。

通过光电隔离驱动电路将DSP处理器输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流滤波电路后，变为稳定的直流电送至IPM逆变电路，IPM逆变电路根据DSP处理器产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电机动子运行。

为了验证该算法的有效性，选择永磁直线同步电机参数如下：电磁推力常数K_f＝50.7N/A，永磁直线同步电机的动子质量M＝16.4kg，粘滞摩擦系数B＝8.0N·s/m。采用MATLAB进行仿真。

根据提供的电机参数，及本发明中设计自适应非奇异快速终端滑模控制器，经MATLAB反复调试，获得最佳运行效果，参数选择如下：α＝2，β＝5/3，η＝0.5，k₁＝1，k₂＝1，k＝100，μ₀＝130，μ₁＝1，μ₂＝0.1。给定跟踪信号d_m(t)为：幅值为1mm的阶跃信号。

负载选择为空载、突加负载和变负载三种情况。永磁直线同步电机空载时，基于非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线如图14所示，基于自适应非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线如图15所示；永磁直线同步电机突加负载为50N时，基于非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线如图16所示，基于自适应非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线如图17所示；永磁直线同步电机加变负载时，系统变负载曲线如图18所示，基于非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线如图19所示，基于自适应非奇异快速终端滑模控制器的系统跟踪误差曲线如图20所示。

根据仿真图可以看出，在空载、突加负载和变负载的情况下，自适应非奇异快速终端滑模控制系统的跟踪误差都比非奇异快速终端滑模控制系统的跟踪误差小。在突加负载和变负载的情况下，两种滑模控制系统相比较，自适应非奇异快速终端滑模控制系统具有更强的鲁棒性能且能够更快速地恢复到期望位置，使系统的跟踪误差能够较快趋近于零。从仿真图可以看出，自适应非奇异快速终端滑模控制提高了系统的跟踪精度，系统的动态响应更快，同时具有较强的鲁棒性能，验证了该算法的有效性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置，其特征在于：该装置包括整流滤波电路、IPM逆变单元、电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路、光栅尺、DSP处理器、IPM隔离保护驱动电路和上位机；

整流滤波电路的输入端与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电，输出端与IPM逆变电路相连；

IPM逆变电路把整流滤波电路输出的直流电逆变成三相交流电，其输出端连接永磁直线同步电机，为永磁直线同步电机供电；

电流检测电路的输入端通过霍尔传感器连接IPM逆变电路的输出端，电流检测电路的输出端连接DSP处理器的一路信号输入端，用于通过霍尔传感器采集永磁直线同步电机的动子电流，电流检测电路将采集的电流模拟量转变为DSP处理器能识别的数字量；

位置速度检测电路的输入端通过光栅尺连接永磁直线同步电机的输出端，位置速度检测电路的输出端连接DSP处理器的另一路信号输入端，用于通过光栅尺采集永磁直线同步电机动子的位置、速度信号，位置速度检测电路将采集的位置、速度信号转化为DSP处理器能识别的数字量；

DSP处理器部分包括DSP处理器及其外围电路，用于将给定的位置信号与光栅尺检测永磁直线同步电机的位置信号作差，产生位置误差信号，将位置误差信号作为自适应非奇异快速终端滑模控制器的输入量，经自适应非奇异快速终端滑模控制器计算出滑模面、等效控制律和切换控制律，将系统不确定性上界根据泰勒级数展开定理展开，结合自适应律得到新的切换控制律，从而得到电流控制信号，电流控制信号经DSP处理器产生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；DSP处理器的PWM端口经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端；

IPM隔离驱动保护电路用于电气隔离IPM逆变电路与外部电路，即光电隔离，并驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作；

上位机中存储有通过Code Composer Studio 6.1.3软件以C语言编写的控制程序，控制程序首先对电流检测电路和位置速度检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将采集到的数据和给定的指令信号做差作为自适应非奇异快速终端滑模控制器的输入变量，执行自适应非奇异快速终端滑模控制算法，最后将以自适应非奇异快速终端滑模控制算法为核心的C语言程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，控制永磁直线同步电机的动子运动。

2.根据权利要求1所述的高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置，其特征在于：所述DSP处理器采用TMS320F28335芯片，DSP处理器外围电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路、DSP复位电路；电平转换电路将12V电源电压转换为DSP处理器供电的3.3V工作电压；Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，由DSP处理器中断程序来处理故障；晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP处理器的X1接口和X2接口；JTAG电路用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题，JTAG接口电路的引脚1、2、3、7、9、11、13、14分别接DSP处理器的引脚79、78、76、77、87、87、85、86；复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中DS1818的1脚接DSP处理器的160脚。

3.一种高档数控机床的永磁直线同步电机控制方法，其特征在于：该方法采用权利要求1所述的高档数控机床的永磁直线同步电机控制装置实现，包括以下步骤：

步骤1：给定永磁直线同步电机位置信号，将该位置信号转换为控制电机运转的电压电流信号，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位置信号、速度信号及电流；

电机运动后，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号；脉冲信号送DSP处理器的正交编码脉冲输入单元EQEP，进行四倍频处理，提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数确定动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，从而得出动子的位置信号；DSP处理器内部捕获单元对脉冲进行计数，再根据脉冲数除以采样周期得到永磁直线同步电机的速度；利用霍尔传感器采集动子电流；

步骤3：利用步骤2中计算出的数据，采用自适应非奇异快速终端滑模控制算法调整永磁直线同步电机动子的位置信号，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及系统动态方程；

对于永磁直线同步电机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电角度为q轴，建立d-q轴坐标系；假设忽略铁心饱和，含有永磁体区域是均匀的，不计涡流及磁滞损耗，仅考虑初级电枢绕组中磁动势的基波分量，空载时反电动势为正弦，次级的永磁体部分无阻尼绕组，忽略初级中的齿槽力波动，则电磁推力F_e表示为：

式中，i_d、i_q、L_d、L_q分别为d、q轴电流和电感；ψ_PM为永磁体磁链；n_p为极对数；τ为极矩；

根据磁场定向原理，取i_d ^*＝0，并假设L_d＝L_q＝L，电磁推力简化为：

式中，K_f为电磁推力常数；

永磁直线同步电机的机械运动方程为：

式中，M为永磁直线同步电机的动子质量；B为粘滞摩擦系数；v为动子速度；F为扰动，包括系统外部扰动、参数变化、端部效应及非线性摩擦力；

不考虑扰动F时，动态方程为：

式中，d(t)为动子位置；为动子速度；为动子加速度；A_n＝-B/M；B_n＝K_f/M；u为控制器输出，u＝i_q，即推力电流；

考虑扰动F时，动态方程为：

式中，C_n＝-1/M；ΔA、ΔB和ΔC分别为系统参数M和B所引起的不确定量；D为系统不确定性总和，表示为：

假设D有界，即|D|≤δ，δ为不确定性总和D的上界，为一正常数；

步骤3.2：根据步骤2中检测的永磁直线同步电机的实际位置信号与给定的永磁直线同步电机位置信号作差，得到系统跟踪误差e₁为：

e₁＝d(t)-d_m(t) (8)

其中，d(t)和d_m(t)分别为永磁直线同步电机的实际位置信号和给定位置信号；

系统跟踪误差e₁的一阶导和二阶导分别为：

其中，B(x)＝B_n，D(x)＝D；和分别为永磁直线同步电机给定位置信号的一阶导和二阶导；

依据泰勒级数展开定理，假设自适应控制输入不包含加速度函数，总的不确定性的上界是只包含位置和速度的函数，得出以下结论：

其中：a₀、a₁、a₂都是正数；

步骤3.3：设计滑模面和控制律；包括非奇异快速终端滑模控制器设计和自适应非奇异快速终端滑模控制器设计；

1)非奇异快速终端滑模控制器设计

针对永磁直线同步电机伺服系统位置跟踪控制问题，采用非奇异快速终端滑模控制方法，下面对滑模面和控制律进行设计：

滑模面定义：

s(t)＝e₁+k₁|e₁|^αsign(e₁)+k₂|e₂|^βsign(e₂) (12)

其中，k₁、k₂、α、β为正常数，且满足1＜β＜2，α＞β；sign(·)为符号函数，定义为

对式(12)求导得

选择合适滑模面后，设计等效控制律，是状态轨迹停留在滑模面s(t)＝0的必要条件，在不考虑不确定性的情况下由式(10)和式(14)得

令得等效控制律为：

切换控制律为：

其中，η＞0，且是小的常数，k是切换增益，k＞0；

2)自适应非奇异快速终端滑模控制器设计

在实际应用中，系统不确定性的未知上界很难获得，采用自适应控制估计系统不确定性的未知上界，将非奇异快速终端滑模控制和自适应控制结合，提高系统的鲁棒性；采用自适应控制，将式(17)变为：

其中，用估计a₀、a₁、a₂；

因此，总的控制律表示为

定义自适应误差：

参数的自适应律为：

其中，μ₀、μ₁、μ₂是正常数；

步骤3.4：步骤3.3输出的自适应非奇异快速终端滑模控制律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处理器根据步骤3调整好的电流控制信号、DSP处理器产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行；

通过IPM隔离驱动保护电路将DSP处理器输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流滤波电路后，变为稳定的直流电送至IPM逆变电路，IPM逆变电路根据DSP处理器产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电机动子运行。