工业电机控制开发平台（共7篇）
工业电机控制开发平台 篇1
随着国民经济的发展,生产过程机械化、自动化程度的不断提高,电机在生产中担当了十分重要的角色。对电机的工作状态进行监测可保证电机的安全运行,避免恶性事故的发生,对国民经济有重要的价值,因此开发智能电机保护监控装置具有重要意义。随着微电子技术的发展,出现了DSP和ARM等微处理器,这些器件的出现使得各种数字信号处理的算法得以实时实现,同时将信号处理领域拓宽到系统控制领域。在这种背景下,研究电机保护系统成了提高工业控制系统安全性的有效途径之一。
国内外的很多学术著作都提出了电机保护系统的设计方案,综合来看,这些保护措施都是基于保护电路和软件监控实现的[1,2,3,4]。保护电路一般主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成,在软件里设置电压、电流的阈值,直接对电压、电流进行检测,当检测到的数值大于阈值时,就进行断电,停止电机运行,以免对驱动器和电机造成损害[4]。驱动器的这种断电保护能够保证电机的安全运行,但是在工业系统往往采用多轴联动控制,当一个电机突然停止运行时,会波及整个系统,严重时会造成机器损坏甚至威胁人身安全[5,6]。
在工业控制系统中,驱动器的运行是通过和控制系统之间的网络传输数据完成的,驱动器应该具有安全的网络通信机制,对数据进行加密处理以防止网络中的错误数据影响电机的正常运行,同时对于工业控制网络中恶意的窃取信息、攻击等行为,驱动器也应该具有防范功能,因此,有必要研究面向工业控制系统的智能安全电机驱动器。
1 智能安全电机驱动器设计方案
在工业系统中,电机作为最重要的执行设备,具有广泛的应用。单独一套大型自动生产设备通常采用几个到几十个电机,所以电机的安全运行是工业系统稳定工作的基础。同时,在多轴系统中,当单个电机出现故障时会危及整个系统的运行,甚至造成事故。因此,设计能够保证电机安全运行,并且在遇到故障时进行正确处理的电机驱动器是本文的主要目的。现代工业加工及控制技术对伺服和驱动系统提出了更高的安全要求,主要表现在功率密度、控制精度、运行可靠性、网络及智能化等方面。现针对工业控制系统对电机驱动器安全、可靠性方面的苛刻要求,研制了集控制与驱动功能于一体的智能安全电机驱动器,并在多轴机器人手臂上实现了示范应用,验证了智能安全电机驱动器设计的有效性。
智能安全电机驱动器设计方案如图1所示,首先建立永磁同步电机数学模型,对永磁同步电机的矢量控制技术进行了系统的分析研究,通过对控制策略的原理及其使用时的控制性能进行分析,得出矢量控制技术具有可以实现电机交直轴之间的解耦,具有转矩控制的线性特性,能够获得比较平稳的输出转矩,达到电机稳定控制的基础。其次设计小型永磁同步电机伺服系统的软硬件,包括驱动与控制硬件电路、驱动器上位机和下位机软件。系统采用CAN分布式串行总线,在硬件设计上针对可靠性提出了一些策略,如驱动、控制、接口实现电气隔离,编码器断线检测,快速电气保护等。在控制器软件结构上应用了状态机方式,并且在控制策略上吸收先进现代控制理论进行参数优化调整。
智能安全电机驱动器完成的主要任务是当电机的接线、电压、电流和温度等状态超出规定的范围时,判断并显示出故障类型,通知中央控制系统,并进行适当的故障处理,同时驱动器在控制网络中应具有通信纠错,通信加密和防止攻击的功能。为了实现以上目的,提出的智能安全驱动器的结构框图如图2所示。
智能安全驱动器的系统包括硬件层、软件层、网络层等三个层次。硬件层的保护电路能够监测码盘、传感器、电压、电流和温度等参数并进行硬件保护。软件层在完成电机的驱动功能外需要对硬件采集到的各种状态进行实时监控,同时要对系统参数进行实时分析,当遇到故障时,能够及时通知中央控制系统,并根据不同的故障类型,采用智能的控制方法。网络层负责与中央控制系统进行通信,网络层需要具有通信校验,数据加密和防止数据窃取及恶意攻击等功能,以保护整个系统的安全运行。
2 系统设计
2.1 硬件设计
根据上一节提出的智能安全电机驱动器的功能要求,设计的硬件框图如图3所示。主控单元采用专门用于运动控制的16位DSP芯片,工作主频为40 MIPS,配备有三相电机专用的PWM发生单元,并集成了硬件死区时间发生器,增量式码盘接口,丰富灵活的时钟和中断源,非常适合处理数字模拟混合信号。电源电路采用两级串联式开关电源结构,经过变换后得到强电端5 V,12 V和弱电端5 V,12V,2.5 V,3.3 V为DSP和外设供电。驱动电路用于放大DSP的PWM驱动信号送给永磁同步电机,系统功率管采用MOSFET管,开关频率可达数十k Hz,导通电阻小于10 mΩ,耐压达到100 V。DSP控制单元,电源电路和驱动电路构成了基本的电机控制电路。同时,为了满足智能安全控制的要求,系统还设计了以下几个硬件保护电路模块。
2.1.1 急停电路
为了设备的可靠保护,防止因机械限位导致的永久性损坏以及误伤操作人员等,电机驱动应当设置有急停电路,在出现设备故障时,通过急停开关,主电路立即被切断,保证设备和人身安全。急停电路应当具备最高的响应,即不管软件受不受控制,急停操作都可以瞬间断开电机供电。急停电路设计采用关断PWM控制信号来关闭所有MOSFET,而不通过任何软件操作。由于考虑到关断输出后,关节控制的一些状态还需要恢复,所以急停信号并不关断DSP主电源和通信外设。当驱动器触发急停操作后,同时,还可以输出一路开关量给DSP的外部中断引脚,此时,程序即进入急停保护模式。
2.1.2 断线检测
由于驱动器运行过程中需要不停地读取码盘返回的位置值和向电机输出三相电流,当这些连线出现断线时,会造成飞车、烧毁电机的危险情况发生,因此驱动器需要具有断线检测功能。一般情况下位置传感器都是基于光电码盘。光电码盘输出含有位置信息的正交编码信号,该信号为两路脉冲信号的组合。两路信号正交相位相差90°,信号的频率能反映转速的高低,两路信号的相位超前滞后的关系反映了电机转动方向。由于码盘输出的是差分信号,因此可以通过异或逻辑来检测码盘是否断线。码盘断线检测电路如图4(a)所示,当码盘信号正常时,SN74LV86三路输出都是0,ENCODER_ER信号是低电平;当码盘出现断线时,A、B和C任一相的差分信号的异或值会变为0,SN74LV86输出变成1,ENCODER_ER信号变为高电平,则说明码盘信号出现了断线故障。
对于电机相线的断线保护可以通过在控制回路中接入半导体断相保护器实现[图4(b)],半导体断相保护器是一种5端半导体三相交流断相监测保护与控制的新型器件。它有5个端子:1、2、3为三相监视输入端,相序任意,吸收电流极少,三端总计不超过1.0 m A。4、5为开关端,特点是工作范围宽,无火花和抖动。在图4(b)中,若A、B、C三相正常,则半导体断相保护器输出端4、5闭合,交流接触器KM得电吸合,其常开触点KM闭合并自锁,电机得电运转。若A、B、C中任意一相断电,则4、5端截止关断,接触器KM失电,其常开触点和主触点KM断开,电机停止运转,起到保护作用。
2.1.3 电流检测电路
驱动器需要检测的电流信号是电机的三相相电流,根据KCL电流定律可知三相相电流Ia、Ib、Ic满足以下电流平衡关系:Ia+Ib+Ic=0。因此,只需测量任意二相电流即可得到全部的三相电流。通常使用的有两种检测电流的方法:第一种是小阻值无感采样电阻。电阻采用康铜丝或者贴片件,这是一种廉价的方案,但是要注意采样电阻阻值的选取,功率要足够大,同时电阻的电感要小,以排除感抗在电阻两端引起的电压降。第二种方法是采用霍尔电流传感器。系统采用霍尔电流传感器将强电端电流信号耦合至弱电端,采用高端电流变换的好处是可以减小地线不同位置电位差的影响,它的优点是精度高,可靠性高。
2.1.4 电压保护电路
通常电机控制器的电压保护电路是由分压电阻将电源电压分压后送入DSP控制器的模拟输入脚进行采样,但是这种方式存在两个弊端:首先电网强电与控制弱电直接共地,不免会引入电磁干扰,直接共地在多控制器组网使用时因为存在地线环路,会导致环路电流,干扰模拟电路。其次,由于DSP是周期性采集模拟电压,电源电压的采集实时性不佳,对于电源电压的瞬间抬高往往需要一段延时才能检测到。因此对于敏感期间的保护就存在一定局限性。系统提出硬件级过压欠压电路就解决了以上两个问题,该电路供电来自热地段5 V供电,与DSP控制器采用光电隔离。电源电压经过分压放大后的数值与输入电压进行比较,当输入电压高于这个数值时,比较器正翻转,输出高电平,电路正常工作;当电压低于这个数值时,比较器负翻转,输出低电平,电源芯片停止工作。采用两个比较器就可以同时对过压或者欠压情况进行检测报警。
2.1.5 温度检测电路
逆变模块在工作时会发出比较大的热量,当电机不正常运行时,该部分温度过高会损坏模块。系统在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了温度传感器(图5),如果基板温度超过设定值,DSP内部就会封锁门极驱动并且屏蔽输入信号,保护功率设备,同时输出故障信号。直到温度降到设定的值后才能恢复正常工作,过热保护可以在过载或散热条件不良的情况下保证驱动器的正常运行。
2.1.6 加密芯片
加密芯片主要用来防止未经授权访问或拷贝单片机的机内程序,从而达到保护知识产权的目的。本设计采用AT88SC1616加密芯片是国际著名芯片厂商Atmel公司生产的具有多用途的加密存储系列芯片[7]。芯片为用户访问应用存储区提供了标准、认证和加密三种方式,既方便用户根据实际情况灵活选择加密方式,又提高了系统的安全性。本设计的AT88SC1616与DSP通过I2C总线通信方式相连。使用过程中,首先对AT88SC1616写入配置区密码、分区访问方式、认证参数和安全限制等进行初始化。当DSP需要访问时,要同时发送命令数据和校验和,芯片内内部的加密机校验无误后才会允许操作,校验和不正确时芯片会返回错误信息。
2.2 软件设计
智能安全电机驱动器的软件结构如图6所示。电机驱动模块负责完成电机的运行控制。永磁同步电机驱动,需要知道电子转子位置。可根据转子位置及运动方向指令信号确定逆变桥通断电控制信号,即PWM驱动译码,控制逆变桥,实现电机正反转。电流环通过对电机电枢电流信息的读取,利用转子位置信息实现定子静止三相到转子dq两相的定子电流坐标变换。速度环通过M/T测速法,根据速度给定和速度反馈,经速度调节器输出电流转矩分量给定值,具有增强系统抗负载扰动的能力。位置环通过检测电机的实际位置,与位置指令相比较,进而调节速度指令,实现位置指令的跟随。
电机驱动模块软件详细结构如图7所示。按功能可分为如下几个部分:SVPWM解耦算法,装载参数和自检,静态参数配置,动态参数配置,电流环,速度环,位置环,外部找零点,PVT曲线,外部霍尔,CAN通信指令解析,各种保护功能等。SVPWM解耦算法是矢量控制所必需的,定子电流由三相静止到两相静止的Clarke变换,再由两相静止到两相旋转的Park变换,系统采样两相电流,第三相由电流的平衡关系式计算得到。电流调节器模块,包括计算直轴和交轴电流误差,直轴和交轴电流控制器获得直轴和交轴电压增量。电流环为双环结构,分别调节电流转矩分量和电流励磁分量跟踪给定值的变化,提高系统响应的快速性,并能及时抑制电流环内干扰。
故障保护模块能够跟据硬件保护电路测量的不同参数和故障采取相应的处理方法。断线保护模块负责在系统检测到码盘或者电机相线接线故障时进行保护。由于码盘断线会使驱动器读到的电机位置错误,造成飞车现象,而电机相线断线可能会烧毁电机,因此断线属于比较严重的故障,关断PWM控制信号。电流保护模块需要在维持电流在阈值范围内的条件下,维持电机的正常运转,软件内部设置最大峰值电流和最大持续电流两个参数,当测量的电流值大于最大持续电流值时,驱动器以最大持续电流输出,以维持系统的正常运行,而当电流长时间超过最大峰值电流时,说明系统遇到了堵转等问题,此时会停止输出驱动信号。电压保护模块和温度保护模块设计思路相同,当测量的电压或者温度值超过最大或最小阈值的时候,发送警告帧,并停止驱动电机,而当恢复正常时,则重新开始驱动电机。
网络通信模块负责保护驱动器在工业控制系统中的安全运行。通信功能完成驱动器与中央控制系统的通信,传输数据包括中央控制系统的控制指令,驱动器的运行参数,该部分同时负责将驱动器的错误报告发送给控制系统,并且返回控制系统的应答,驱动器会根据这个应答采用合适的故障处理。通信校验包括校验码和ID校验,采用CRC校验可以保证接收到的数据准确性,ID校验可以使驱动器只响应针对自身的控制指令,对于网络中传输的其他设备的控制指令则不予响应。驱动器还具有防攻击和防盗版功能。通过驱动器和控制系统的唯一ID匹配,对于其他设备发出的指令驱动器不予响应。同时由于驱动器采用了加密芯片,因此不能从驱动器中将控制软件读出,保证了使用者的安全。
通信加密采用基于伪随机序列的加密方法[8,9],在系统运行过程中,将网络中驱动器传递的数据进行加密,使网络中的数据不会被逻辑分析仪等调试设备破译。该方法在每次通信开始时,由驱动器产生伪随机种子应用于加密,使得同一个参数在每次通信中传递的密文不一样。每次通信开始时,控制器向驱动器发送命令,要求驱动器发送一个随机序列种子。当驱动器接收到命令之后,产生一个16位随机数作为种子,根据该种子对自己内部的伪随机序列算法进行初始化,并将该种子作为附加数据通过网络回复给控制器。反之,当控制器接收到驱动器回复的种子,则使用该种子对自己内部的伪随机序列算法进行初始化。在后续命令中,把需要进行传送的驱动器运行参数用该伪随机序列进行加密处理。驱动器接收到密文后,对接收到的数据进行解密,判断数据无误后按照所得运行参数执行相应的命令。在通信过程中,一旦发现解密后数据有误,就需要重新发送同步随机种子的命令,再次由驱动器产生新的随机种子并回复给控制器。通过以上几种通信保护手段相结合,就可以保证驱动器在工业系统中数据传输的可靠性,以及避免了窃取数据及恶意攻击等行为。
3 实验验证
智能安全电机驱动器的实物如图8所示。驱动器的尺寸是60 mm×50 mm×30 mm,体积小巧,方便嵌入式安装于各类工业系统。设计的驱动器能够同时驱动直流电机、直流无刷电机及永磁同步电机,最大额定功率200 W,工作效率高于85%。利用铝基印刷电路作为基板,将伺服驱动器、控制器进行功率集成,铝基板本身可以起到散热器作用,无需再设计散热器,达到便于安装、节省空间和提高系统安全可靠性的目的。
为了验证本设计的智能安全驱动器的工作情况,采用了北京理工大学智能机器人研究所的仿人机器人手臂进行了实验验证,系统连接方案如图9所示。手臂使用7个驱动器(安装图如图10所示),并通过CAN总线连接至工控机,同时CAN网络还连接了力传感器、摄像头等设备。
实验过程中,工控机按照通信协议给驱动器发送位置指令,并读取驱动器的返回状态,同时工控机还要实时读取力传感器和摄像头的数据。为了验证电机驱动器伺服控制的静态、动态相应,系统设置了各关节实际位置和给定位置的显示,给定关节一组位置,实测其误差,单位为度。结果表明各关节在静态均有较强的刚性,经过多次测量,稳态误差在0.001°以内。以肘关节为例,测试结果如图11所示,图中实线为关节位置反馈值,虚线为给定参考值,最大角速度为100°/s关节最大动态伺服误差为0.1°。实验中机械臂能平稳运动,因此关节控制器的动态响应较好的满足了系统安全稳定性的要求。
CAN通信正常并且收发数据实时可靠是系统安全工作的基础,由关节闭环试验,各个关节驱动器能够实时反馈关节准确的位置角,保证关节驱动器实时跟踪。测试中,每次工控机(CAN接口卡)向某个驱动器发送8字节的有效数据,驱动器接收后直接返回原数据,程序比较前后数据,若一致则认为通信正常,反之则记为1次误码,若在限定时间内无数据返回则记为1次断线。每次通信测试全部完成后记作一轮通信结束。CAN网络数据通信测试结果如表1所示。
通过测试可以看出,电机驱动器CAN网络系统在通信测试过程中,平均每轮通信用时3.332 ms,并且在10 000 000次以上的测试中无误码或断线现象发生,满足工业系统安全工作需求。
在实验过程中,每个驱动器能够有效地识别通信总线中与自身相匹配的指令,稳定精确的运行。在人为制造故障时,能够有效地检测码、相线断线等错误,对于电流,电压,温度异常也能够及时报告工控机,并采用合理的保护措施,保证了整个机械臂始终处于安全工作状态,满足了设计要求。
4 结论
设计了一种面向工业控制系统的智能安全驱动器,通过软硬件结合设计,实现了硬件层、软件层和网络层的结合,驱动器在完成电机的位置、速度和力矩控制的基础上能够对电机线、码盘线进行断线的保护;在对电压、电流和温度等参数实时监控的基础上,根据不同的故障类型,采用合理的处理方法;同时采用的通信校验和加密处理保证了驱动器在工业系统中数据传输的可靠性,防护了窃取数据及恶意攻击等行为,满足工业控制系统对于安全驱动器的需要。
摘要：为了保护电机的正常运行,驱动器需要相应的安全保护功能。目前的驱动器多数采用欠压、过流、短路等保护电路,当检测到故障时进行相应处理。然而工业控制系统中通常采用的都是多轴联动,在网络控制下,由于内部或外部原因导致单轴或多轴电机的误运行会波及整个系统。为提高工业控制系统的安全性,提出了一种智能安全的电机驱动器,通过硬件层、软件层和网络层三个层次的保护机制来保障电机在工业系统中的安全运行。实践应用表明,该设计方案切实可行,能够在异常情况下保障电机、驱动器和系统的安全运行。
关键词：系统安全,工业控制,驱动器,通信安全
参考文献
[1] Welchko B A,Lipo T A,Jahns T M,et al.Fault tolerant threephase AC motor drive topologies:a comparison of features,cost,and limitations.IEEE Transactions on Power Electronics,2004;19(4):1108—1116
[2] Ribeiro R L.Fault detection of open-switch damage in voltage-fed PWM motor drive systems.IEEE Transactions on Power Electronics,2003;18(2):587—593
[3] Hagiwara M,Nishimura K,Akagi H.A medium-voltage motor drive with a modular multilevel PWM inverter.IEEE Transactions on Power Electronics,2010;25(7):1786—1799
[4] 马宏忠,胡虔生,方瑞明,等.多功能电机保护控制一体化装置的研究.中小型电机,2005;27(5):22—25Ma H Z,Hu Q S,Fang R M,et al.Research on multi-function protection and control system for motor.S&M Electric Machines,2005;27(5):22—25
[5] Byres E.The myths and facts behind cyber security risks for industrial control systems.Vde Congress Vde Association for Electrical Electronic Information Technologies British Columbia Institute of Technology&Pa Consulting Group,2004
[6] Dzung D,Naedele M,Hoff T P,et al.Security for industrial communication systems.Proceedings of the IEEE,2005;93(6):1152—1177
[7] 王彦文,薄勇,孙素丽.加密存储芯片AT88SC1616的原理与应用技术.单片机与嵌入式系统应用,2004;12:39—42Wang Y W,Bo Y,Sun S L.The principle and application of memory chip AT88SC1616.Microcontrollers&Embedded Systems,2004;12:39—42
[8] 张冬艳,殷丽华,胡铭曾,等.面向内容安全的多模精确匹配算法性能分析.通信学报,2004;25(7):128—136Zhang D Y,Yin L H,Hu M Z.The performance of multiple-keyword pattern matching algorithms of information content security.Journal on Communications,2004;25(7):128—136
[9] 吕盼稂,孙立婷,汪静姝.基于伪随机序列的DSP程序运行参数加密方法.计算机应用与软件,2010;27(7):102—109LüP L,Sun L T,Wang J S.Encrypting runtime parameters of DSP program based on pseudorandom sequence.Computer Applications and Software,2010;27(7):102—109
工业电机控制开发平台 篇2
2015年全球运动控制市场下滑超过10%
IHS最新发布的2016年全球运动控制市场研究报告显示,2014年的良好增长势头未能在2015年延续,全球运动控制硬件市场在2015年遭遇强烈震荡,与2014年同期相比,市场下滑10.6%,规模约104亿美金。
从区域市场看,2015年,欧元与日元的大幅贬值,导致了欧洲及日本市场以美元计的销售额分别下滑13.7%及10.8%。中国经济转型期的经济增速放缓、机械行业投资大幅减少,与其紧密相关的韩国以及台湾市场也受到冲击,亚太整体市场表现低迷,销售同比下滑11.8%。美洲市场基本与2014年持平,但通用运动控制与数控产品表现各异,前者增长5.2%,数控产品受低迷的机床行业影响下降15.3%。
从下游行业看,据IHS估算,2 0 1 5年机床(金属切削机床、金属成形机床)超运动控制销售额的40%。IHS季度机械行业追踪数据显示,机床行业在连续两年增长后,2015年出现下滑,特别是在亚太及美国市场,机床行业大幅下滑。金属切削及成形机床均在2015年出现两位数下滑,严重冲击运动控制市场需求。美国机床行业同样遭遇寒冬,行业数据显示,2015年机床行业订单比2014年减少17.4%。
预计2015-2020年期间全球运动控市场年复合增长趋势为3.3%
不考虑汇率变化因素,IHS预计2016年运动控制市场基本与上年持平,通用运动控制产品增长而数控市场略有下滑;市场整体预计于2017年恢复增长,其中亚太市场增速最快,2015年到2020年期间年均增长3.6%。
IHS预计机床行业在2016延续下行态势,中长期保持低速增长,2015至2020年年均增长率约1.9%。下游市场的工业机器人行业迎来爆发式增长期,IHS最新发布的工业机器人市场研究报告显示,2015年至2020年全球工业机器人市场的年复合增长率高达18.9%。作为机器人核心部件的运动控制产品将受益,预计年均增速高达12.6%,是运动控制行业增速最快的下游行业。
白色家电中的电机控制
高效电机控制需要逆变器的协同发展
逆变器的控制技术与电机的发展一起在不断进步。想要提升节能效率,单靠电机是无法实现的,还需要与驱动相适应的矢量控制(FOC)和使用了低功耗元器件的逆变器。2009年,搭载了当时作为新理念和新技术的磁化状态可变的“可变磁通电机”的洗衣机开始了实际应用,并开始销售。这样一来,无需进行矢量控制的弱磁控制即可实现高效率的可变速控制。之后,能够满足变速运转范围扩大和高效率运转范围扩大需求的“特性可变控制”的开发案例相继问世,新一代控制技术的发展备受瞩目。
在这样的技术趋势下,现在ROHM正在不断努力将BLDC电机的高效率驱动控制算法尽可能地进行硬件逻辑化,从而让功率电子的相关技术人员能够轻松使用。作为解决方案的一个例子,ROHM已经建立起了能够对AC/DC(含PFC)、DC/DC、逆变器(正弦波自动进角控制)的换流器/逆变器进行系统提案的体制。ROHM同时也在进行FOC等控制算法的软件开发,今后计划将根据各种不同的应用方向进行提案。
在封装与散热方面,为了提高有高通用性标准封装的功率密度(电力/容积),在作为基本构成要素的高热传导封装材料、LSI回路、功率元器件的低损耗化方面进行最优化的散热设计。另外,还可以针对客户基板提供ROHM独有的散热解决方案服务。
为了实现小型化和高可靠性,需要进行一体化整合,例如通过使用像IPM这样的构造来提升保护功能,提高安全性。最终还需要对电容器、电感等无源器件进行小型化。另一方面,为了满足低价格要求,由LSI(栅极驱动器)和分立器件(IGBT、MOS)所组成的解决方案也是比较有效的。
电机控制对MCU的要求
我们正在目睹电动工具类应用从交流(AC)电机向无刷直流电机(BLDC)转移,例如电钻头、电锯和割草机等产品。通常,为专业人员和消费者开发电动工具的这类客户并不具备电机控制软件知识,因此他们依靠MCU供应商来提供电机控制固件。我们也看到了对更高性能电机控制的更多新需求,如用于无人驾驶直升机和电扇等新兴使用案例的正弦波(Sine Wave)控制和磁场定向控制(FOC)。
作为一家为工业应用提供8位MCU的领先供应商,Silicon Labs为诸如数码照相机和电动自行车等电池供电型应用提供电池管理系统(BMS)技术。支持这些应用的MCU必须具备非常低的待机电流以及一个非常精确的模数转换器(ADC)和片上基准电压。
Silicon Labs的EFM8系列为我们的客户提供了优异性能和简易性,从而满足了他们的需求。在性能方面,Silicon Labs提供高达72 MIPS的快速处理能力、快速数字外设和出众的模拟外设,例如信噪比(SNR)大于300的电容式感应控制器,以及一个高分辨率模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。Silicon Labs的EFM8器件上提供的交叉式内存控制器架构(crossbar architecture),可以简化电路板设计,同时在非常小的封装中提供了灵活性。
工业控制中的电机控制
电机的控制器、隔离技术和相电流检测技术指标
作为一家致力于技术创新的半导体厂商,ADI的许多产品一直以来被广泛应用于电机控制领域。ADI电机控制方案的核心竞争力突出表现在控制器、隔离技术、相电流检测及IGBT门级驱动等多方面。
处理器平台的选择是伺服控制方案的核心因素,ADI的基于ARM Cortex-M4F内核的处理器ADSP-CM408具有M4F内核(主频为240 MHz)和内部集成的SARADC,此外还集成多通道的SINC滤波器,这些特点集成了伺服控制所需要的核心性能,为客户实现复杂、精确、快速的伺服控制提供了充分保证。
隔离技术是伺服控制系统的重要环节,目前市场中应用的隔离技术主要有光隔、容隔和磁隔。ADI在伺服控制系统中采用的是其拥有专利的i Coupler磁隔离技术。磁隔离技术的主要优势包括速率高、体积小、集成度高和使用寿命长等。
对于相电流检测部分,A D I有隔离型Σ-Δ调制器AD740X。目前市场应用中,中小功率等级应用的电流检测通常采用采样电阻采集电流。因ADI处理器集成了SINC滤波器,AD740X与ADI处理器结合,可完美解决伺服控制中最核心的电流环路控制。对于大功率应用,通常采用Hall元件+ADC的方式,ADI处理器集成的SAR ADC与Hall元件搭配,同样非常具有优势。
伺服系统中,功率模块前端需要有一个驱动器,ADI提供了针对此应用的ADu M4135,该产品隔离部分基于ADI的i Coupler磁隔离技术,能够为功率器件提供充分的保护,此外,其具有非常小的传输延时以及很高的可靠性。
用于运动的位置控制步进电机
工业控制领域的趋势集中在符合安全法规和减轻对环境的影响方面。从电机控制的角度,提高能效和降低噪声是技术趋势。行业趋向采用单芯片方案,集成高技术32位处理器和用于驱动外部分立功率FET或电源模块的门极驱动器。在控制算法方面,矢量控制是一种趋势,矢量控制由采用精心编制的软件的处理器控制。
步进电机用于运动的位置控制是很有用的,且易于使用。安森美半导体是电机控制领域的关键供应商,公司新的步进电机控制技术为提高能效和降低噪声提供了新的方案。传统的步进电机电流控制模式是恒定的,而安森美半导体的高电源能效步进电机适当地调节电流,匹配电机的转子角度,无需任何软件和高技术处理器。LC898240是步进电机电流控制器,它与传统的步进电机驱动器协同工作。LV8702V包含驱动电源及电流控制器。
智能电机成为提高电机效率的需要
据统计,全球大约50%的电能都是被电机/马达消耗的,而数量巨大的家用电器及工业设备占比很大,如家电类的冰箱、空调、洗衣机、风扇、水泵等都需要电机提供动力,而工业设备中大量的步进马达,如打印机、复印机、雕刻机、纺织机等。如今,90%已经安装的电机无论需要与否,都连续不断地全速运作,有些电机驱动效率低下,发热严重,而有些使用机械系统调节输出,就像我们开车时,时而油门时而刹车调整车速一样,非常浪费。
单纯从民用角度讲,高效电机的发展趋势是发展智能马达,提高效率并减少不必要的输出。现代的家用电器,在满足使用需求的基础上,已经在非常努力地提高电机的效率,但是同样面临多重工况下无法兼顾效率的问题,同样需要智能电机驱动技术。工业设备中的智能电机驱动的推广,同样能大幅度提高电机的使用效率。
东芝电子的MCD产品,致力于满足客户需求,提供可靠高效的产品。针对提高电机效率,不断使用新技术满足客户需求。
1.INPAC技术(智能相位控制技术)应用于直流无刷电机驱动,在不同速度下智能调节电机电流相位,提高电机在不同工况下的效率;
2.步进电机AGC技术,应用于步进电机驱动,能够智能检测步进电机负载的高低,在电机处于轻负载的情况下,智能降低电机电流及转矩输出,在保证电机正常工作的状态下降低功率。
汽车电子中的电机控制
高集成度将是主驱电机的发展趋势
未来高集成度将会成为所有主要器件的主流趋势。现阶段瑞萨已经将很多器件集成在一起,从MCU、IGBT、预驱动等主驱电机相关产品,瑞萨提供了全套的电机解决方案。例如:
1)MCU(RH850/C1X)集成了旋变解码器(RDC)以及硬件电流环算法(EMU)。同时又是锁步双核,可以满足ISO26262的ASIL-D标准的功能安全性要求。
2)IGBT,除了在电压上有多种选择外(650V/900V/1200V),自身晶圆(Die)还内置了温度传感器。从而可以更加精确地提供IGBT实时的温度信息。这在以前都是没有的。
3)预驱动,除了集成有为IGBT温度传感器所配置的A/D外,还把隔离功能进行了内置。
瑞萨电子的主驱电机控制目前面向市场的方案有两种,一个是体积为0.9L的电机控制器(Inverter),风冷的机电一体化20KW方案,此方案对合作车厂技术能力要求较高,目前正与某日本车厂合作。另一种为更加成熟的方案,是体积在2.9L液冷的电机控制器(40~60KW)。与目前国内主流产品比较契合,已经开始与国内车厂进行产品研发。而0.9L和2.9L的控制器体积,将会大大提升产品在车内配置的灵活性。
磁性角位置传感器芯片将成为马达新的应用潮流
马达制造商正从昂贵的旋转变压器、光学编码器以及廉价的霍尔闩锁器转为使用磁性角位置传感器芯片。和磁性角位置传感器芯片相比,旋转变压器和光学编码器价格昂贵、耗电、笨重和占地面积大。此外,光学编码器不适合在恶劣的环境下运行并且容易受到污染。而艾迈斯半导体的磁性角度位置传感器在磁场噪声严重等其他恶劣环境下也能运作。同时,该芯片也基本可以免受环境的污染。
在电机换向反馈应用中,马达供应商正从离散的霍尔效应芯片转为使用磁性角度位置传感器芯片。向马达控制器提供电机换向反馈时,通常需要使用3~5个离散的霍尔效应芯片。虽然离散的霍尔效应传感器价格并不高,但芯片的数量加上需要的被动元件和相关导线大幅增加了整套马达解决方案的物料成本。除此以外,离散的霍尔效应芯片,当作为一个整体用于电机换向反馈时并不精确,影响了马达总体的效率和性能。与之相反的是只需一个磁性角度位置传感器芯片,便可提供高精确性的电机换向反馈,降低了系统成本同时实现更高性能和效率的马达。
艾迈斯半导体最新推出的磁性角度位置传感器AS5x47产品系列,凭借其在传感器芯片硬件上具备的同样功能,正帮助免除马达控制器和处理器软件计算任务。AS5x47产品系列集成的这一特点被称作动态角误差补偿(DAEC)。
摘要：本文针对家电、工业以及汽车三大领域中的电机控制的发展趋势以及相关重要模块的发展趋势,邀请相关专业厂商做了专业的介绍,并就当下的发展趋势介绍了专业厂商的解决方案。
关键词：电机控制,白色家电,工业控制,汽车电子
参考文献
[1]王莹.电机驱动走向高效节能[J].北京:电子产品世界,2013,(9):12-14.
[2]于寅虎.新型电机控制技术用于电动汽车的机遇与挑战[J].北京:电子产品世界,2014,(9):12-14.
工业电机控制开发平台 篇3
双直线电机XY平台以其自身的多数优点已经被广泛地应用于快速的自动控制技术等领域[1]。为提高其加工精度, 通常有间接和直接两种控制方式, 但是在前者的控制下, 不能完全的解决高精度轮廓控制问题[2]。因此对于后者的控制, 文献[3-4]首先提出了只适用于线性误差模型的交叉耦合控制 (CCC) 用以直接地减小轮廓误差。为了解决上述问题, 文献[5]提出了本质上仍然是线性变换, 但是模型比较简单的任务坐标转换法。为此, 随着控制技术的快速发展, 轮廓误差计算法解决了上述控制方案存在的不足[6]。其控制思想是以轮廓误差量直接作为控制器的输入, 通过控制器的调节来提高系统轮廓精度。例如, 文献[7-8]运用了抖振问题不能消除的二阶滑模和Terminal滑模变结构控制对XY平台数控系统进行了轮廓控制器的设计。因此本文将智能控制方法和现代控制方法结合设计简单且容易实现的模糊滑模控制器用以消除抖振问题并提高轮廓精度。
本文首先建以轮廓误差模型。然后再运用模糊滑模控制的逼近能力处理轮廓误差量, 使其在有限时间内趋近于零, 满足永磁同步直线电机 (PMLSM) 直接驱动XY平台数控加工系统的高精度加工要求。
1 XY平台的轮廓误差模型
图1为任意轨迹的实时轮廓误差模型, 其中期望轨迹的加工位置R1 (t) , 实际轨迹的加工位置是P1 (t) , 且期望轨迹上的一点是R'2 (t) 。假设从R'2 (t) 到R1 (t) 所需的加工时间为Δt, ex是X轴跟踪误差, ey是Y轴跟踪误差, X轴与直线R1R'2的夹角是。
轮廓误差为P1 (t) 到直线R1R'2的距离ε, VR1为R1 (t) 点的平均速度, Vp1为P1 (t) 点的平均速度, V1和V2分别为R1 (t) R'2 (t) 两点的切线速度且下角标X, Y分别代表X轴和Y轴, 由以上这些推出
得出:
最终推导出任意轨迹轮廓误差公式为:
2 XY平台模糊滑模轮廓控制器设计
双直线电机XY平台离散系统的状态方程如下:
设位置指令为r (k) 且其导数为dr (k) 满足R=[r (k) , dr (k) ], R1=[r (k+1) , dr (k+1) ], r (k+1) 和dr (k+1) 采用线性外推的方法进行预测:r (k+1) =2r (k) -r (k-1) , dr (k+1) =2dr (k) -dr (k-1) 定义位置偏差信号为e=R (k) -x (k) 且切换函为:
式中Ce=[c, 1]
采用二维模糊控制器, 通过模糊控制规律直接设计滑模控制量u。设模糊控制器的输入是s和, 它们分别是s (k) 和ds (k) 的模糊化变量, 模糊控制器的输出ΔU是控制的变化量Δu的模糊化变量。
定义控制器输入和输出为如下形式且模糊化变量均选择高斯隶属度函数
其论域为:
模糊规则的确定是力图满足不定式s s·<0的条件下设计u, 所得控制规则表如表1所示, 其中第一行和第一列分别代表s·和s且模糊规则是:
采用重心法反模糊化, 其公式为:
双直线电机XY平台系统的模糊滑模轮廓控制结构如图2所示。
其中Px, Py分别为X、Y轴的比例位置控制器;Kvx, Kvy分别为对X、Y轴的PID速度控制器。
3 仿真与分析
本文电机参数分别为M1=5.8 kg, M2=1.4 kg, Mf1=10.979N/A, Mf2=0.852 6 N/A, B1=244.319 2 Ns/m, B2=82.017 6Ns/m且规划的跟踪轨迹为五角星轮廓.两轴位置控制器Px=2.87, Py=2.95;速度控制器Kvx的积分、比例、微分增益分别为510, 39.94, 21;Kvy的积分、比例、微分增益分别为605, 40.5, 20滑模面参数c=10
图3为双直线电机XY平台的五角星输出轨迹。图4、为系统参数变化20%以后在2 s时向各轴突加150 N的负载扰动时直接驱动XY平台的单轴期望位置输出与实际位置输出曲线.可以明显地看出, 基于轮廓误差计算误差法的模糊滑模控制作用下, 实际输出曲线和期望轨迹基本相一致, 具有良好地跟踪性。
图5为同样仿真条件下的单轴位置误差响应曲线, 可以看出, X轴位置精度达到±0.04 mm, Y轴位置精度达到±0.03 mm, 而且在外界扰动存在的情况下, 系统很快地跟踪上了给定信号, 保证了直接驱动XY平台控制系统具有较好的抗扰性和较强的鲁棒性。
图6为同样仿真条件下的轮廓误差曲线, 可以看出, 其精度与单轴的精度相比有一个数量级的提高, 并在扰动和参数变化的情况下, 保证了直接驱动XY平台控制系统具有较好的抗扰性和较强的鲁棒性。
图7 (a) 和 (b) 分别是基于滑模和模糊滑模控制的控制输入量曲线, 后者的摄动问题小于前者, 因此后者控制有效地减弱了滑模的摄动问题。
4 结束语
本文首先采用轮廓误差计算法建立了可用于任意轨迹跟踪且便于计算的双直线电机XY平台的轮廓误差模型.然后采用模糊滑模控制进行了轮廓控制器的设计, 削弱了负载扰动和系统参数变化对控制系统的影响, 进而提高其抗扰性和鲁棒性.仿真结果表明, 所设计控制系统有效地提高了双直线电机XY平台的轮廓加工精度。
摘要：双直线电机XY平台在加工中负载扰动以及系统参数的变化会使其产生轮廓误差, 而且任意轨迹轮廓误差为非线性函数不易进行建模。采用适用于任意轨迹建模的轮廓误差计算法建立双直线电机XY平台的轮廓误差模型并以此误差量作为具有逼近能力模糊滑模轮廓控制器的输入, 使误差量在有限时间内趋近于零, 以满足XY平台的高精度加工要求.仿真结果表明, 所设计的双直线电机XY平台系统具有强鲁棒性和较高的轮廓精度。
关键词：XY平台,负载扰动,轮廓误差计算法,模糊滑模控制,鲁棒性,轮廓精度
参考文献
[1]赵希梅, 郭庆鼎.为提高轮廓加工精度采用DOB和ZPETC的直线伺服鲁棒跟踪控制[J].电工技术学报, 2006, 21 (6) :111-114.
[2]赵希梅, 郭庆鼎.基于ZPETC和CCC的直接驱动XY平台高精度控制[J].组合机床与自动化加工技术, 2011, 21 (6) :111-114.
[3]丛爽, 刘宜.多轴协调运动中的交叉耦合控制[J].机械设计与制造, 2006, (10) :166-168.
[4]SUN Dong, SHAO Xiao-yin, FENG Gang.A Model-free cross-coupled control for position synchronization of multi-axis motions[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2007, 15 (2) :306-314.
[5]YANG Jiang-zhao, ZHANG Dong-jun, LI Ze-xiang.Position loop-based cross-coupled control for high-speed machining[C].Proceedings of the7thWorld Congress on Intelligent Control and Automation, Chongqing, 2008:4285-4290.
[6]CHENG Ming-yang, SU Ke-han, WANG Shu-feng.Contour error reduction for free-form contour following tasks of biaxial motion control systems[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2009, 25 (2) :323-333.
[7]王丽梅, 金抚颍, 孙宜标.基于等效误差的直线电机XY平台二阶滑模控制[J].中国电机工程学报, 2010, 30 (6) :88-92.
工业电机控制开发平台 篇4
关键词：直线电机,H型运动平台,同步控制
0 引言
直线电机驱动的H型工作台因其具有大的行程范围和高的定位精度而被广泛应用于半导体光刻、微型机械等领域。在实际应用过程中, 由于H型运动平台的组件不是对称结构, 且在制造与安装过程中存在误差, 以及工作过程中存在的不确定性扰动等因素的影响, 导致即使两个完全相同的直线电机和伺服系统, 最终也不能保证横梁两端的同步运动。机械强耦合将导致横梁扭转, 无法保证运动精度, 甚至使结构或驱动元件受到损坏[1], 因此, 实现质心驱动的高精度同步控制是此类平台的控制重点和难点[2,3]。
针对H型双边驱动运动平台建立相应动力学模型, 设计双边同步控制系统, 使用两台相同的直线电机以保证系统具有高速动态同步响应能力, 使用并联控制与模糊逻辑反馈相结合的方法来消除机械耦合的影响, 力求减小双边同步控制的误差。
1 H型运动平台结构及建模
1.1 运动平台结构简介
直线电机驱动的直线运动系统比传统的“旋转电机+丝杠”直线运动系统具有更高的动态性能和传动精度, 代表着直线驱动技术的发展方向。本文研究的H型运动平台用于扫描光刻机的粗动台, 期望同步驱动过程中横梁的最大扭转角度误差小于90 urad。双边直线驱动的H型运动平台可以提供强大的推力, 可以有效避免单边驱动带来的运动滞后和机械振荡[4,5], 其结构如图1所示。平台基座采用结构刚度大、平整度高的花岗岩材料;横梁采用工程陶瓷等轻质、高刚度材料, 两端分别与两个相互平行的直线电机的动子连接, 实现x方向的双边同步驱动;y向直线电机的定子安装在横梁上, 动子与滑块固接, 实现y方向的运动。
1.2 运动平台建模
建立精确的H型双边驱动机构运动模型是研究同步控制的基础, 目前针对平面三自由度H型运动平台的建模主要有两种方式, 一是通过拉格朗日方法建立系统多刚体动力学方程[2,6,7];二是直接为运动平台建立双输入双输出的力到位移的传递函数[8], 这两种方法的缺陷是建模过程复杂, 且只能建立两个单轴直线电机驱动的单自由度模型, 不能体现双边驱动过程中机械耦合的影响, 更不能达到对质心偏移导致的同步运动误差的观测要求。
使用Matlab/Sim Mechanics建立H型双直线电机驱动的x-y-θz三自由度运动平台的机械结构建模, 它能够将双直线的驱动控制和运动过程中的耦合完全体现出来。Sim Mechanics提供可以直接在Simulink环境下使用的模块集合, 它可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真, 只需要根据拓扑连接关系选择相应的模块和运动副并设置相关参数即可, 极大地简化了机械机构建模过程。Sim Mechanics通过自身提供的检测及驱动模块与Simulink模块连接, 仿真过程无需数据的转换, 极大的提高了仿真计算速度。
图2为使用Sim Mechanics建立的H型运动平台模型, 建模使用到的参数如表1所示。对运动平台进行建模时不考虑运动构件自身的形变, 将其简化为多刚体系统, 在仿真过程中使用Bogacki-Shampsine方法求解。该模型实现了工作台和横梁的x、y方向的移动自由度及z方向的旋转自由度, 横梁两端及滑块上可以直接施加直线电机的驱动力, 在仿真过程中横梁和滑块在推力作用下运动, 准确地模拟了H型运动平台的工作过程, 为研究双边同步驱动奠定了基础。
2 双直线电机同步驱动控制
基于已建立的H型运动平台模型, 使用Simulink模块设计直线电机的控制系统, 直接控制电流信号以达到控制直线电机推力的目的。在横梁两端各添加一个作动器模块以模拟电机, 通过对输入作动器的电流大小及两电流之间匹配关系的控制来保证双边控制的精度。下面研究如何通过单轴控制系统控制推力的大小, 以及如何控制两直线电机之间的推力匹配关系来达到同步运动的目的。
2.1 单直线电机控制系统
双边同步控制的精度很大程度上依赖于单轴控制的精度及其响应速度, 单轴运动精度越高, 响应时间越短, 则双边控制精度越高。基于已经建立的H型运动平台模型, 为单直线电机设计带速度前馈的PID控制系统, 如图3所示。其中G (s) 为直线电机驱动环节, FL为负载干扰, Gc (s) 为PID校正环节, Gp (s) 为前置滤波器, F (s) 为速度前馈环节。实际选取AEROTECH公司的BLM型号系列直线电机, 带入表1中的具体参数, 得到各环节的传递函数如下:
根据ITAE准则[9], 取PID参数为, 取ωn=90, 此时系统对阶跃的响应时间小于0.1 s, 但存在超调13%。由于精密运动平台对位移误差有严格要求, 故根据闭环系统的特点设计前置滤波器Gp (s) 来对消零点以减小超调。
在运用反馈控制的基础上, 针对系统传递函数特点设计速度前馈控制器, 理论上F (s) = (s2+110s) /4 629可以完全消除跟随误差, 但引入s2会导致系统的高频振荡, 所以取F (s) =110s/4 629来最大程度减小系统的跟踪误差, 由仿真结果可以看出斜波信号跟随效果十分理想。
经仿真验证, 该系统对输入0.1 m位移阶跃信号的响应时间约为0.06 s, 无超调, 电机峰值电流为26.8 A, 满足直线电机BLMH-380的峰值电流要求。
2.2 双直线电机同步控制系统
在单直线电机获得较高运动精度的基础上, 如何控制双边推力的匹配是同步控制的难点。常用的同步运动控制策略有并联控制和串联控制两种[10], 串联同步控制在实际应用中主动电机的运动误差及扰动会叠加到从动电机, 且主动电机对从动电机的干扰没有响应能力, 所以实际大多采用并联同步控制;并联同步控制一般比串联同步控制的同步运动精度高, 但其中一个电机受到干扰或两电机承受的负载差别较大时, 便不能保证电机之间的同步性能, 严重时可能造成机械结构卡死或损坏。
传统的串并联同步控制都不能满足高精度同步运动要求, 本文采用一种改进的并联控制方法 (图4) , 在传统的并联结构中增加一个反馈补偿控制器, 补偿控制器对同步误差进行相应的判断和计算, 将处理后的信号反馈到两直线电机的主通道, 以此提高两电机的同步运动精度[11]。当其中一台直线电机发生位置滞后时, 补偿控制器会根据滞后的位移和速度计算出一个差值, 在滞后电机的输入信号上叠加这个差值, 从超前电机的输入信号中减去此差值, 以此提高两电机的响应速度和同步运动精度。
补偿控制器采用模糊逻辑算法来保证双轴运动的同步性能, 图5是包含外部扰动的机械控制系统, 其中的模糊控制器的输入为双轴同步直线电机的位移差e=x1-x2和速度差 (位移变化率) ec=v1-v2。输出为补偿电流信号di, 反馈到两轴的输入电流信号中。
2.3 使用模糊逻辑的补偿控制器设计
补偿控制器参数模糊的整定原则为:当偏差|e|较大时, 为di取较大值, 以便快速减小同步误差。当|e|和|ec|适中时, 取较小的di值即可达到减小误差的目的, 同时也有助于减小超调。当|e|较小时, 则根据速度的变化趋势为di取值, 当误差有变大的趋势, 则取较大的di值, 如果有缩小趋势, 取di为较小值或者取0, 当|e|和|ec|都为0时, 取di为0, 即此时双边电机同步运动, 达到同步控制的目的。
输入信号e, ec和输出信号di的语言变量论域如下:
其中, NB表示负较大值, NS表示负较小值, ZE表示0, PS表示正较小值, PB表示正较大值。在模糊运算和判断过程中的主要依据是位移误差e, 位移变化率ec只起到参考作用, 所以对e的取值比ec更细致。论域与数值的对应及输入输出的隶属度函数如图6、图7所示, 控制规则如表2所示。
2.4 仿真结果对比分析
当两直线电机承受的负载相差很大时同步运动误差最大。为了对比使用模糊补偿控制器前后的效果, 将工件台的初始位置设置为离横梁几何中心最远处, 此时双边同步驱动的误差最大, 有助于观测对比效果。分别对普通并联同步控制 (简称CSC) 和添加模糊反馈的同步控制 (简称FLC) 进行仿真实验, 对系统输入0.1 m位移阶跃信号。图8为阶跃位移响应, 其中CSC的双边位移误差明显, 两直线电机的响应超调和达到稳定的时间均有差异, 位移曲线出现明显的分离, 而FLC的双边位移运动曲线重合, 从图中看不出明显的位移误差。
图9为双边位移误差对比, 由图可见CSC最大误差为5 mm, FLC最大误差为70 um, 即最大扭转角度为82 urad, 模糊反馈同步控制使位移误差减小了两个数量级, 且调整时间比CSC快, 达到了期望的控制目标。图10为双边速度误差对比, 由图可见FLC使速度误差减小了一个数量级, 可见FLC对双边同步驱动有很好的改善作用。
3 结论
使用Sim Mechanics建立了双直线电机驱动的H型运动平台动力学模型, 避免使用传统复杂的数学建模方法, 极大的简化了建模流程;使用Simulink设计相应的控制系统, 利用反馈提高单轴驱动伺服系统的动态性能, 使用前馈控制和PID相结合的方式减小运动跟随误差;设计了带补偿控制器的并联同步控制系统, 使用模糊逻辑算法有效地减小了双边同步驱动的误差, 使系统具有较强的抗负载干扰能力, 提高了控制系统的鲁棒性和机械结构的安全系数。
参考文献
[1]Song Seung-Ho, Sul Seung-Ki.A New Tension Controller for Continuous Strip Processing Line[J].IEEE Transac-tions on Industry Applications, March/April, 2000, 36 (2) :633-639.
[2]Nakashima R.Hao S.Honda H.et al.Position control for a linear slider with twin linear drivers[J].Electrical Engineering in Japan, 2004, 147 (4) :68-76.
[3]Gary P.Bertollini-General Motors Corp.Applying Driving Simulation to Quantify Steering Effort Preference as a Function of Vehicle Speed[J]·SAE 1999-01-0394.
[4]翁秀华.双直线电机同步控制的研究[D].沈阳:沈阳工业大学, 2005.
[5]Xin Qin, Youyi Wang.Motion control of a linear brushless DC motor drive system with onlinear friction compensation[J].Power System Technology.2004.
[6]Teo, C.S., Tan, K.K., Huang, S., et al.Dynamic modeling and adaptive control of an H-type gantry stage[J].2007 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2007, 4 (10) :360-367.
[7]Rong-Fong, Wang-Chi Lin, System Identication and Contour Tracking of a Plane-Type 3-DOF (X, Y, θz) Precision Positioning Table[J].IEEE Transaction on Control Systems Technology, 2010, 18 (1) :22-35.
[8]J Zimmermann, O Sawodny, Modeling for Simulation and Control of a X-Y High Precision Positioning Table[J].IEEE International Conference on Automation Science and Engineering, 2007:1093-1098.
[9]Richard C.Dorf, Robert H.Bishop.Modern Control System[M].北京:清华大学出版社.
[10]张从鹏, 刘强.直线电机气浮精密定位平台设计与控制[J].北京航空航天大学学报, 2008, 34 (2) :224-227.
工业电机控制开发平台 篇5
目前,永磁同步电机的无位置传感器的矢量控制研究正在成为一个热点[1]。众多学者提出了各种各样的无传感器位置检测方法,而检验这些方法的优劣必须和直接转子位置检测实验相比较。所谓直接转子位置检测是指采用光电编码器等元器件直接检测转子的位置。若采用实物实验,将不可避免会出现各种误差,同时也导致研发周期长,成本高等缺点。所以本文拟借助于matlab/simulink这一数学工具,建立一个永磁同步电机的矢量控制仿真平台,使各种无位置传感器矢量控制方法均可在该平台上进行实验。该平台包括永磁同步电动机仿真模型、逆变系统主回路仿真模型、逆变控制系统仿真模型、矢量控制和精确位置检测仿真模型。
1 PMSM数学模型
PMSM和带转子励磁绕组的同步电动机的数学模型是相似的,为使分析简化起见,作如下假设[2]:
(1)忽略铁心饱和效应;
(2)不记涡流和磁滞损耗;
(3)转子上没有阻尼绕组,永磁体也没有阻尼作用;
(4)反电势是正弦变化的。
基于如上假设得出的PMSM数学模型为:
PMSM仿真模型基于上述方程建立。
2 逆变系统仿真模型
此系统逆变器采用Simulink自带的模型Universal Bridge,逆变系统控制采用空间电压矢量调制技术(SVP-WM),它以“磁链跟踪控制”为目标,能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗,降低脉动转矩。
图一和图二分别为逆变系统主回路仿真模型和逆变控制系统仿真模型(SVPWM)[3,4,5]。
下面对SVPWM进行仿真,SVPWM的采样时间Ts=0.0002,Vdc=100,进行仿真实验,得到图三至图五波形。
由此可见,SVPWM模式有以下特点:
(1)每个小区间均以零电压矢量开始和结束;
(2)在每个小区间内虽有多次开关状态的切换,但每次切换只牵扯到一个功率开关器件,因而开关损耗小;
(3)利用电压空间矢量直接生成三相PWM波,计算简便;
(4)电机旋转磁场逼近圆形的程度取决于小区间时间Ts的长短,Ts越小越逼近圆形,但Ts的减小受到所用功率器件允许开关频率的制约;
(5)采用电压空间矢量控制时,逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电压,这比一般的SPWM逆变器输出电压高15%。
3 平台的建立与仿真
该平台采用id=0的控制,采用直接转子位置检测方法,可以看作是一个带精确转子位置检测的仿真平台。转子位置角、转速、定转子电流、电磁转矩,直接从永磁同步电动机模型中加一测量模块得到[6]。所得数值即为模型电机的真实参数,不存在任何误差。整个系统仿真平台如图六所示:
取永磁电机参数为:定子相电阻为Rs=2.875Ω,永磁磁链ψf=0.175Wb,Ld=La=0.0085H,P=4,转动惯量为0.8×10-3kg·m2,粘滞摩擦系数设为零。
电机给定转速为1000转/分,空载起动,在t=0.1秒时突加转矩Tm=5N.m。观测图七至图十波形:
从仿真波形图七到图十中可以看到,该仿真平台空载起动时间约为10ms。起动瞬间,起动转矩较大;进入稳态运行后,转矩波动很小。转矩响应很快,约为2ms,负载变化时速度波动很小,说明系统抗干扰能力较强。此外,定子电流的正弦性也很好。
4 结束语
上面的实验结果可知,带精确转子位置传感器的矢量控制仿真试验平台性能良好。如果需要实验其它各种无传感器位置检测方法,只需将反馈信息改为从位置估算模块引出,即可实验该无传感器位置检测方法。该平台的建立,缩短了PMSM矢量控制的研发周期,提高了研发效率,为后续各种无传感器位置检测方法的研究建立了平台。
摘要：本文建立了一种基于空间电压矢量的永磁同步电机的矢量控制仿真平台,使各种无位置传感器矢量控制方法均可以借助该平台来进行实验,大大缩短了研发周期,提高了实验的准确性。
关键词：PMSM,无传感器,仿真平台,空间电压矢量
参考文献
[1]梁艳,李永东.无传感器永磁同步电机矢量控制系统概述[J],电工技术杂志,2003,(4):4-9.
[2]高景德,王祥珩,李发海.交流电机及其系统的分析[M].北京:清华大学出版社,2004.
[3]王兴,杨振强.电压空间矢量的原理及其在DSP上的实现[J].电机技术,2005(3):16-18.
[4]熊健,康勇,张凯,陈坚.电压空间矢量调制与常规SP-WM的比较研究[J].电力电子技术,1999,(1):25-28.
[5]翁颖钧,吴守.电压空间矢量(磁链追踪)PWM控制研究与仿真[J].贵州工业大学学报,1999,28(4):86-90.
工业电机控制开发平台 篇6
在现代生产及生活中,要求自动化、省人力、效率高的机器中,直流电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一。随着微电子和计算机技术的发展,直流电机的需求量与日俱增,应用在许多生产生活领域中,例如,在仪器仪表,计算机的外围设备中, 在需要对转速精确控制的情况下,直流电机最为理想。之前的直流电机控制系统多采用集成电路实现,不仅调试安装复杂,而且耗费大量的器件,不利于系统的改进更新。而使用单片机控制直流电机已经成为一种趋势,也符合数字化的发展方向。本文主要采用HTC89C52单片机作为主控芯片,利用软件算法产生占空比可调的PWM信号实现对直流电机的调速控制。
1 系统硬件设计
系统总体方案以模块化进行设计,主要包含电源模块,键盘模块,控制模块和LCD显示模块。由HTC89C52单片机经软件编程产生占空比可调的PWM信号输出驱动电机的控制信号,脉冲信号经驱动电路进行功率放大,控制直流电机的转动速度。键盘模块采用查询工作方式实现加速、减速、启停功能,显示模块采用定时器1中断方式,溢出时显示占空比,系统总体方案框图如图1所示。
1. 1 电源电路设计
由于单片机STC89C52输出的PWM信号的电压值很小,没法使直流电机正常工作,因此在本设计驱动芯片采用的是L298,主要作用是放大PWM的信号电压值来驱动直流电机正常工作。而L298需要用 + 12V的电源来进行驱动,而单片机本身只能提供 + 5V的电源,因此本文设计了一款能把 + 5V直流电压转换为稳定的 + 12V电源,有效地给L298提供了稳定的电源,其电源电路设计如图2所示。
1. 2 电机驱动电路
L298是双电源大电流功率集成电路,可以用来驱动电机,其驱动电机的电压能力能达到46V,可以同时驱动多个电机,因此本设计利用L298芯片来驱动本设计用到的直流电机,其与单片机和直流电机的连接方式如图3所示。
1. 3 I / O 接口电路
输入键盘模块共有4个按键,采用独立式按键, 它们分别接单片机的P1. 0—P1. 3口,其中S1用于实现电机的停止功能; S2用于实现电机的启动功能,S3用于实现电机的减速功能,S4用于实现电机的加速功能,其电路如图4所示。输出显示模块采用LCD显示,主要显示此刻的占空比,其电路如图5所示。
2 系统软件设计
软件主程序采用模块化设计,主程序主要完成以下内容: 参数初始化,开启中断,显示子程序,键盘子程序,电机调速子程序等。当系统上电后,单片机首先进行初始化设置,单片机开始检测是否有键按下,如果有键按下,主程序开始执行按键子程序,读取相应的键值,开始调用中断子程序即电机调速子程序,利用软件算法产生占空比可调的PWM信号实现对直流电机的调速控制,系统的主程序流程图如图6所示,中断子程序流程图如图7所示。
单片机产生占空比可调的PWM脉冲信号的程序如下:
3 调试
本文搭建了该直流电机调速系统,其硬件实物如图8所示。给电路板上电复位后,系统处于非工作状态,按下开始按键,系统开始工作,其占空比为0% ,通过加速减速按键来设置占空比,可有效地实现对直流电机的加速和减速功能。
在本系统中采用的是 + 12V的直流电机,观察在不同的占空比下,负载的转速变化以及在加速和减速的过程中所使用的调速时间进行了记录,如表1所示。
从表1可知: 当占空比为0% 时,电机停止转动,随着占空比的增加,电机的转速越来越快,而随着占空比减少,电机的转速越来越慢。通过调试可以使该系统按规定的要求正常运行,且响应速度较快。因此本系统通过改变占空比的方法有效地实现了对电机的调速控制。
4 结束语
本文所设计的直流电机调速系统,是基于单片机ATC89C52开发设计的,其设计简单,利用软件程序实现了PWM直流电机的调速问题。比较利用硬件方法实现PWM直流电机调速系统,不仅节省成本,而且使系统减少了外界对系统的干扰,同时使系统的精度得到了很大的提高。因此本系统具有成本低,可靠性高,设计简单易实现等特点,具有一定的推广价值。
摘要：主要设计了一款以L298作为驱动的PWM直流调速系统,采用HTC89C52作为主控芯片,利用软件算法实现了控制直流电机的转速,采用LCD液晶显示器显示设定转速,键盘模块设置电机的启、停、加速、减速功能。
工业电机控制开发平台 篇7
关键词：直流电机,DE2开发板,NiosII
引言
直流电机 (DC machine) 是一种常用的机械能和电能转换的元件, 由定子和转子两种基本结构组成, 其中, 定子是运行时静止不动的部分, 主要作用是产生磁场;转子是运行时转动的部分, 主要作用是产生电磁转矩和感应电动势。使用者通过对外围输入信号的控制间接控制定子和转子, 进而实现控制直流电机的工作。
目前, 在直流电机的控制系统中, 很多设计者喜欢采用单片机 (如8051) 或者DSP (如MSP430) 作为微控制器[1], 这样做的优点是成本较低, 缺点是需要较多的外围电路和端口, 可能会导致系统的稳定性不够高。
本设计给出一种方案, 该方案采用Altera公司提供的Nios II[2]作为控制系统的核心单元;采用Altera提供的基于Avalon总线的IP和用户自定义的基于Avalon总线的逻辑单元作为外设;采用DE2开发板作为验证平台。
A l t e r a提供的D E 2开发板拥有丰富的硬件资源:主芯片FPG A (EP2C35) 有35K L E S, 8 M B S D R A M, 4MB FL ASH, 4个按键开关, 27个LED灯, 80脚扩展端口, TV解码器及其接口, 24bits CD品质声道CODEC, USB控制器及其接口, 以太网, 等等。这些硬件资源能够满足较为复杂的硬件设计。
如图1所示的系统硬件结构, 虚线框内为FPGA (EP2C35) 内部硬件结构, 其中:
1) Nios II为Altera推出的32位RSIC嵌入式处理器, 它作为整个系统的核心, 控制着系统的正常工作;
2) Timer为定时器, 主要用于系统的中断等服务;
3) JTAG-UART为自定义模块, 主要用于软件设计过程中的调试;
4) PIO为自定义外设模块, 经设计后可以挂载到Avalon总线上, 它与4个按键相连接, 这样按键和Nios II之间便可通过总线进行通信;
5) 按键, 共4个, 作用分别是控制系统启动, 控制电机加速, 控制电机减速, 控制电机转向;
6) SD M控制器为自定义外设, 经设计后可以挂在到Avalon总线上, 这样Nios II可以经过总线与SDRAM进行数据通信;
硬件设计
7) Flash控制器为自定义外设, 经设计后可以挂在到Avalon总线上, 这样Nios II可以经过总线与Flash进行数据通信;
8) P WM (脉冲宽度调制) 模块为自定义模块, 经设计后可以挂在到Avalon总线上, 这样Nios II可以通过控制该模块实现控制直流电机的功能;
9) SDM用于存储软件运行时的一些指令和数据, Flash用于FPGA下载固化程序;
10) 驱动电路用于将PWM信号进行转换进而驱动直流电机。
如图2所示的PWM模块硬件结构, 其中:
1) 方向控制寄存器, 周期控制寄存器, 占空比寄存器用于存储软件经总线写入的数值;
2) P W M逻辑用于根据上述3个寄存器的内容产生相应的逻辑, 进而产生相应的PWM用于控制直流电机。
上述的各个模块经设计好之后采用Altera公司提供的SOPC Builder工具进行可视化的系统搭建, 待系统搭建完毕后产生硬件配置文件, 接下来便可以进行软件开发。
软件设计
软件设计流程
Altera公司提供完善的软硬件开发环境, 硬件部分采用SOPC Builder工具开发, 软件部分可以采用Nios IDE开发工具, 具体开发流程如图3所示。
软件具体设计
如表1所示的寄存器说明, 在软件设计过程中, 通过Avalon总线对相应偏移地址处的寄存器写入数值, PWM逻辑模块通过取相应寄存器的值产生对应的逻辑功能来控制直流电机。
基地址在产生硬件配置文件的时候软件会自动分配, 偏移地址是设计者在设计过程中自行定义的, 软件编译后会产生system.h文件, 里面有详细的硬件信息, 设计者可以查阅该文件进行相应的开发。
软件流程
如图4所示。
总结
本设计给出了一种基于DE2开发板的设计方案 (构思) , 采用Nios II软核作为控制核心, 并设计了一种基于Avalon总线的PWM控制器模块, 通过外加一些存储模块等外设构成了片上系统 (SoC) 。该系统可以控制直流电机的转向和转速, 具有灵活可配置等特点。本设计给出的方案 (构思) 可以进行简单的移植, 实现用户自定义逻辑。
参考文献
[1]姚文刚, 余国强, 孟小锁.基于多DSP架构的电机控制系统[J].计算机技术与发展, 2006, 16, (6) :48-50
[2]Altera Corportion.Nios Ⅱ Software Developer’s Handbook[EB/OL].2004, http://www.altera.com