直线电机系统（精选9篇）
直线电机系统 篇1
1 简介牵引系统的组成
下图1是某城市地铁车辆牵引系统的主电路图, 如图中所示, 一个逆变器带动两个直线电机。如果逆变器受到牵引命令后, 此时霍尔电流传感器开关闭合, 开始向滤波电容器充电, 当其电压到固定值之后, 电晶体三极管闭合同时传感器开关打开, 逆变器的门极开始工作。若滤波电容电压传感器测试的电压过高时, 逆变器暂停工作且电晶体三极管打开。
注解:HB:高速断路;LB:线路短路器;路接触器, CHR:充电电阻;CTS:电源电流传感器;FLl, 2:滤波电抗;DCPTl~3:直流电压传感器;OVCRfl, 2:过电压释放晶闸管;OVCRf R1, 2:过电压放电电阻;DCHRl, 2:放电电阻;FCl, 2:滤波电容器;LIMl~4:直线牵引电机;CTUl, 2:U相电流传感器;CTVl, 2:V相电流传感器;IGUl~IGZ2:IGBT模块
2 牵引系统故障分类以及故障表现状态
2.1 牵引逆变器电源控制开关跳闸
逆变器电源开关跳闸可能是电源1也可能是电源2出现跳闸。故障主要的表现的现象是在司机主页会标示对应的牵引逆变器电源关闭;车辆无法移动, 出现了保压制动的现象不能得到缓解。这种现象是由此节列车的牵引逆变器控制的, 逆变器只有检测到牵引电流才会发出保压制动的缓解命令。
2.2 车辆牵引参数屏幕上出现红点
此故障的表现现象是在司机主页显示屏上有红点显示, 说明逆变器有严重的故障;车辆高速断路器有跳闸的现象并且相应指示灯不亮。
2.3 牵引系统的接地出现故障
(集电靴与线路上的异物接触) 此故障表现为出现HB跳闸和逆变器红点故障;车辆与异物相撞接触轨道会瞬间断电, 可能会产生火花;会有较大的声响。
3 牵引系统故障的应对措施
3.1 逆变器电源开关跳闸的应对措施
具体的应对措施是在车辆进站之后让乘务员检查车辆连接端的开关控制屏幕的逆变器电源开关的情况, 如果没有跳闸现象, 就试着按UCOSU按钮就可以牵引车辆。如果还不能得到解决可以按下故障车的VFCB1和VFCB2的开关, 则车辆到达终点站后就会暂停服务。在进行检查逆变器电源开关时需要延误运行时间三分钟左右, 这时就要通知后续车辆的发车时间, 防止在故障车处理的时间内又有车辆进入等待, 这样会影响服务质量。
3.2 车辆牵引参数屏幕上出现红点的应对措施
控制中心对故障车辆进站后将高速断路器分离一次这样就完成了逆变器的复位。如果出现连续两次复位HB失败的情况下车辆无法牵引, 可以试着开启单元切除按钮同时再次分合HB, 车辆运行则会报告控制中心车辆正常运营。车辆如果不能牵引就按下故障单元车的逆变器电源开关报告控制中心, 这时车辆到达终点站就会暂停服务;如果有两个逆变器出现故障并且这两个逆变器在同一个单元, 出现连续两次复位HB失败的情况下车辆无法牵引, 可以试着开启单元切除按钮同时再次分合HB, 车辆运行则会报告控制中心车辆正常运营。车辆如果不能牵引就按下故障单元车的逆变器电源开关报告控制中心, 这时车辆到达终点站就会暂停服务;如果有两个逆变器出现故障并且这两个逆变器在同一个单元, 出现连续两次复位HB失败的情况下车辆无法牵引, 可以试着开启单元切除按钮同时再次分合HB, 车辆运行则会报告控制中心车辆正常运营。车辆如果不能牵引就按下故障单元车的逆变器电源开关同时按下单元切除按钮再次分合高速断路器, 试着牵引并报告控制中心, 车辆到达终点站就会暂停服务。如果存在五个及以下逆变器故障时, 可尝试按下故障单元车的单元切除按钮再次分合高速断路器, 列车运行至停车区并退出服务。若不能牵引, 则按下故障车相应的逆变器控制电源开关, 重新按下单元切除按钮, 列车运行至停车区。若此时还是不能运行车辆或是逆变器存在六个故障且复位两次HB失败, 就需要进行组织援救。
3.3 牵引系统的接地出现故障应对措施
控制中心一般是在车辆进站后确定牵引系统的接地故障信息, 单元切除按钮会把有接地故障的逆变器切除之后分合HB。如果单元切除按钮切除失败或是切除后连续分合两次HB失败, 这时就按下逆变器电源开关来使出现接地故障的车辆牵引系统断开。若出现直线电机车辆与线路上的异物接触, 基本上都会造成车辆晚点或者设备损坏的现象。 (1) 车辆集电靴与异物接触后, 造成接触轨跳闸且再次接触失败。故障原因是设备或异物的入侵, 和集电靴接触后发生短路造成接触轨跳闸。这样的故障应该依照车辆的故障现象以及供电设备能否成功合闸, 让故障区的车辆限制速度进行运行。清楚找到故障点。控制中心调用专业维修人员及时赶到故障车辆现场就行故障检查并组织维修。 (2) 列车集电靴与异物接触, 接触轨没有跳闸或者接触轨跳闸后能合闸成功。主要原因是列车集电靴与现场异物短接, 造成接触轨短路。若异物能瞬间离开接触轨, 产生的电流值不大, 则不会造成接触轨跳闸或者跳闸后能够瞬间重合闸成功。调度控制中心需要根据事发列车的异常信息, 立即组织车站、车辆检修、线路设备检修等各部门人员前往事发地点确认, 同时组织事发车辆进行合理降速以确认是否仍有异常现象或者故障信息。
4 结束语
我国地铁目前现有运营线路所使用车辆的直线电机牵引系统, 是目前国际上单节列车载客量最大的直线电机车型。面对着日均客流量大、行车间隔短、设备种类多、承担的社会运输量和影响高等特点, 车辆牵引系统的性能和维保率、设备的突发应变联动处理机制, 对线路的运营安全和乘务服务质量将产生重大影响。我们要在这方面勇于创新, 发现更多的问题进行逐一的找到突破口。
直线电机系统 篇2
1．1试验台结构设计
测试系统的作用是控制机械部件进行运作，其中，驱动部件带动试验台面部件，使其能够在床身上进行往复的运动;加载部件能够对被测导轨进行正确的加载，并且可以调节力的大小，从而使试验装置进行模拟加载跑合试验;并对相关寿命试验参数进行监测和采集。这些功能的实现需要搭建完善的测控硬件系统，并且根据所需要实现的功能，编制完善的试验控制软件、测试软件、数据分析软件等，使试验台能够按照预计的方案进行试验，并能够获得导轨副相关参数如:型号、载荷、震动等相对工作时间的变化曲线。本试验台主要由测控系统、加载力控制系统、驱动电机控制系统及数据采集系统组成。
1．2加载力控制系统
1．2．1试验的加载力分析
我国目前的寿命试验台可以进行单条导轨的试验，然而加载力不能变化，加载方式单一，不能提供高加载。为了提高试验效率，试验台面上表面设置相互平行的三条被测导轨副转接板，每条被测导轨副转接板上均设置一条被测导轨副，被测导轨副转接板可以根据被测导轨副型号的不同进行更换，保证了试验装置的通用性，因此需要三组加载力装置分别对三条被测导轨进行加载，实现被测导轨可以分别加载或是同时加载;由于工作时，导轨所承受的载荷是变化的，因此加载力的调节范围需要较大，并且现在厂家所使用的导轨最大承载可达到30t，根据以上要求，选择液压加载的方式，液压加载可以提供高压力(30t)，并且其传动平稳，可以实现自动过载保护，具有使用寿命长、体积小、重量轻等优点，满足本试验台的需求。因此加载部件主要由龙门和三个液压缸组成，三个液压缸并排安装在龙门顶部，可分别对三条被测导轨副进行加载，并且可以根据实际加载要求更换不同上下加载工装。
1．2．2加载力控制系统设计
液压缸加载的控制分为加载动作的控制和加载力大小的控制。加载动作即为液压缸的伸出和缩回，可以通过三位四通电磁换向阀来控制;加载力的大小通过减压阀来控制。根据试验要求，现设计加载力控制的液动原理图，当液压站本身通路正常时，三个减压阀8接收到AO电压信号后，输出相应的压力，压力变送器可以监测减压阀输出压力的大小，换向阀10接收到减压阀给的压力信号后，可以给油缸11相应的液压力，换向阀的左右电磁铁的通断，可以控制油缸流量进入的方向，从而控制油缸的伸出和缩回动作，蓄能器7的作用是保压，可以避免电机长期连续工作。减压阀的控制信号AO要求可以通过程序提供0～10V的电压信号，工控机给输出卡信号，使板卡输出相应的模拟电压信号给减压阀，经分析PCI-1720是一款具有4路模拟量输出口的输出卡，可以提供0～10V范围的电压，满足试验需求。结合所选板卡及试验要求，设计加载力大小控制接线，工控机控制采集卡PCI-1720输出0～10V的电压信号，板卡VO口输出的电压信号发送给相应的减压阀，减压阀为液压缸的运动提供压力。电磁阀的控制信号DO要求所选的控制板卡可以给出六位的数字信号，每两位高低信号控制一个电磁阀，当电磁阀右电磁铁为高信号，左电磁铁为低信号时，油缸的活塞向下运动，实现伸出动作;当电磁阀左电磁铁为高信号，右电磁铁为低信号时，油缸的活塞向上运动，实现缩回动作。经分析PCI-7260可以提供8通道大功率继电器输出，并且可以单独控制，满足试验需求。结合所选板卡及试验要求，设计电磁阀的控制接线，工控机控制板卡PCI-7260的NO和COM口向电磁阀发送数字信号，六个DO口分别控制三个液压缸的伸出与缩回动作。由于电磁阀里有磁铁线圈，当断电时，它会产生电感电流，其中与电磁阀并联的二极管就是为了释放这些电感电流，防止这些电流加在板卡的端口，影响板卡的性能。
1．3驱动电机控制系统
1．3．1电机控制的分析，本试验台的运动通过在试验台面的一侧安装齿条，齿条与驱动部件中的齿轮啮合，在驱动部件的带动下实现试验台面部件往复运动的功能。驱动部件主要是由电机与减速器组成，电机的转速及其正反转一般是由变频器［9］控制的，变频器根据工控机输入的电压量，来控制电机的转速，从而控制试验台面的移动速度，并且变频器通过接受相应的数字信号可以控制电机的启动和停止;电机要实现正反转控制，将其电源的相序中任意两相对调即可，当试验台面运动到最大试验位置时，变频器会接收到相应的数字信号，并且可以输出信号给电机来改变转向。同时，由于电机的控制程序有出错的可能，使电机不能正常的正反转，所以还要设计一个急停开关，可以通过人工控制使机床瞬停。
1．3．2电机控制系统设计
变频器接收到的电压量和数字信号都可以由工控机的板卡提供，电机的启动、停止和正反转要求所选的控制板卡可以给出三位的数字信号，并可单独控制，经分析PCI-1716可以提供16位数字量输入/输出通道，并且可以提供0～10V的模拟输出，由于变频器输出的电流量比较高，但是板卡输出的的较小电流信号，因此选用继电器用于电机的控制系统中，起到电控开关的作用，根据所选板卡、电器元件及试验要求，设计使用五个继电器分别控制电机的停止、启动和正/反转信号开关以及正向到位和反向到位开关，当继电器的输入端接受到板卡PCI-1716相应DO口发出的数字信号后，继电器便处于接通状态，变频器的端口接受到信号后，在输出信号控制电机的电机的停止、启动和正/反转;正向到位和反向到位信号时要通过光电开关控制的，光电开关安装在试验台面试验范围的最远端，试验台面运动到最大试验距离时，会遮挡光电开关，光电开关给PCI-1716相应DI口的发出信号，通过工控机中所编程序控制反馈给电机正反转开关，改变电机的转向，从而实现试验台面的往复运动。正极限和反极限开关是由两个限位开关实现的，两个限位开关安装在试验台运动的最远端，串联接在变频器的急停端口处，一旦试验台接触或是人工触碰到任意限位开关，试验台都会当即停止，防止试验台冲出床身，造成事故。
1．4数据采集系统
1．4．1数据采集分析
试验台往复运行时，被测导轨的振动状态可以体现导轨的使用寿命状况，通过监测振动量相对工作时间的变化曲线，可以分析导轨的磨损状况;同时，加载力也要实时监测，确保被测导轨所承受的载荷是按预设的大小施加的;，由于液压系统中的油缸及油路管道对于减压阀输出的压强有损耗，所以减压阀的输出压强也需要进行监测。
1．4．2数据采集系统设计
振动量、加载力及液压力的采集都可以通过板卡采集，并传送给工控机中显示出来，经分析PCI-1716可以提供16路单端模拟量输入，满足试验需求，传感器将采集的信号传送到板卡的AI口，板卡将接收到信号传送给工控机，工控机将信号的变化曲线显示在电脑界面上，实现了实时监控被测导轨参数的目的。试验台进行寿命试验时，工控机通过输出卡PCI1716给变频器信号，变频器控制驱动电机的转速，使试验台按预计的速度运行，当试验台接触到光电开关时，光电开关给变频器信号，实现试验台的正反转，当试验台运行超过设计范围时，限位开关起到急停作用，工控机还可以通过控制采集卡的数字输出，来控制润滑泵的使用，对被测导轨进行润滑;试验台正常运行时，需要对被测导轨进行加载，PCI1720输出卡给减压阀相应的电压信号，使液压缸输出预计的压力，电磁阀接受PCI7260输出卡的数字信号，来控制液压缸的动作，液压力计记录液压缸的内部输出压强，力传感器监控被测导轨所受的加载力，帮助液压缸提供符合试验要求的加载力;试验台正常加载运行时，振动传感器不断的将采集到的三条导轨的机械振动量转化成电信号，电信号通过调理仪的分析转化，传送给采集卡PCI1716，从而可以在工控机的记录仪里观测到振动的变化曲线，记录试验台不同运行速度和不同加载力情况下的被测导轨振动变化曲线，从而来分析导轨的寿命。
2控制系统软件设计
根据试验的需求，系统的软件设计包括试验控制软件、测试软件、数据分析软件，针对本试验台所要实现的功能，控制软件主要是电机的控制、液压缸的加载及润滑泵的控制，测试软件主要是液压缸压强、被测导轨加载力及振动变化曲线的监测，数据分析软件的功能主要是对于试验数据的分析、记录、调用及输出打印等。
2．1系统主程序流程图
系统主程序流程图，试验开始时，首先要确定被测滚动直线导轨副的型号和加载力大小及其试验环境，数据处理软件记录这些参数的设置，接着把被测件安装在被测导轨副转接板上，通过按键控制开启润滑系统，为试验的进行做准备;接下来，启动加载液压缸对被测导轨副进行加载(先空转，然后逐步加载)，通过控制伺服阀以及压力传感器的监测将载荷加至指定值，并保持载荷不变，来模拟导轨实际工况;然后，启动振动传感器，在线监测振动量的变化情况，启动电机控制系统，使工作台面按试验计划往复运作。在测试软件里，可以对振动量实时监测显示，试验者通过观察振动变化曲线来分析导轨使用寿命的状况。当变化曲线有异样时，需要观测被测导轨是否有点蚀，如果有的话，并且导轨的行程没有达到额定值，说明此产品不合格，数据处理软件记录下此不合格导轨的信息;若被测导轨没有发生点蚀现象并且行程达到额定值，则说明导轨的寿命合格，数据处理软件同样也记录下此合格导轨的信息，如此完成导轨的寿命试验。
2．2试验台程序主界面
程序的主界面是利用VisualBasic6．0编写的，程序的主界面，界面上包含了参数的设置、寿命试验的实施、加载力及振动的监测、板卡及电机的测试和被测导轨数据的分析，数据存储、数据查询及数据的输出报表等功能。
2．3寿命试验程序界面
寿命试验运行的程序界面，可以控制试验台往复运行以及加载力的控制。
2．4参数监测界面，可以实时观测加载力的变化，振动变化曲线是通过iocomp控件来绘制的，纵坐标为板卡所收集到的传感器测得的信号。
2．5数据处理软件
本测控系统的数据处理软件是采用VisualBasic6．0编写，并结合Access数据库设计了导轨副寿命测量信息数据库、人员及测量标准数据库以及数据库管理软件，用于保存导轨副参数信息，寿命测量原始数据，分析数据结果等，能够很好地满足工厂的实际生产测量需要。
3试验台设计成果
为滚动直线导轨寿命试验台实物图，在已经设计好的试验台机械结构的基础上，运用上文所分析设计的测控系统，试验台面已经可以模拟工况的往复运行，并且液压加载系统可以为三根被测导轨提供0～30t的加载力，在加载力为30t时，试验台面可以最高速度正常运行，振动传感器所收集到的信号可以在参数监测界面进行监测，同时试验数据通过数据处理软件保存在数据库中，随时可以被调用分析。
4结束语
浅谈直线电机的新认识 篇3
关键词：直线电机；电枢；磁阻式直线电机
中图分类号：TM359 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0037-01
随着技术的进步，当今世界的直线电机的运用场合比以往更苛刻，高产出，高的定位精度，维护方便等等。当然，现在很多的公司正通过技术创新来慢慢满足这些要求。
大概在10多年之前，要找出个能应用于生产的场合，而且速度超过5米/秒，带负载能力强，高度好的直线轴承是很困难的。而今，随着技术的进步，这些问题已近解决了。
在直线编码器技术上的进步也为直线电机的应用开辟了更广阔的空间，当今的直线编码器技术已近成熟了，而且成本也有所降低。
鉴于以上两种直线电机的关键技术得以解决，所以高速的直线电机才能渐渐应用于现在的生产环境。
现代的制造业一直面临着高精度，高速度和高产出的要求。为了解决这个问题.运动系统必须响应快，摩擦小。
现在，已经有了解决方案，那就是直线电机。
一、直线电机的概念
直线电机的概念非常简单，它就是把旋转的伺服电机切开，然后再把它平铺开来.按照这样设计，负载就可以直接挂在电机上.效率就可以大幅度提高.
直线电机有两种形式，即伺服的和步进的。
设想将一台电机，无论是直流的还是交流的，沿着其转轴的直径切开拉平，就成为直线电机.根据左手定则，可以判断这时绕在电枢上的绕组均要受到电磁作用力F，由于绕组是固定在电枢上的，所以，电枢将在电磁力F的作用下做直线运动，显然，无论改变磁极的磁性或者改变加到电刷上电源的极性，匀可以改变电磁力的方向，也就是改变电枢的运动方向。
但这种结构有两个缺点：（1）磁极对电枢有单边磁拉力，它将把电枢单面压紧在支撑件上，使它运动不灵敏，工作中容易产生振动或噪声。（2）电枢在F的作用下将移出磁极的作用范围，力渐渐变小。实际上具有实用价值的直线电机的结构应该具有以下特点：在电枢上的上下两边都有电磁铁，他们对电枢铁心的磁拉力应该相互抵消.同时电枢长度远大于磁铁的长度.电枢在磁铁里面移动时，只要不超出磁铁的作用范围。则电磁力F的大小不受影响。
和旋转式直流电机一样，步进电机也可以实现精确的直线步进，其移动速度和电源切换频率成正比.常用的直线步进电机有反应式和混合式两种。
四相反应式直线步进电机由定子和动子两部分组成.匀由硅刚片叠成，定子上下表面有均匀分布的齿槽，动子是一对具有四个极的铁心，上面套有四相励磁绕组，每个极的表面也开齿，齿距和定子的相同。为了减少运动时的摩擦，在导轨上装有滚珠轴承，齿槽中用非磁性材料填充，并使定子和动子表面平整和光滑。当绕组按一定顺序通电时，根据步进电机的原理，电机将按照半拍，单拍或双排运行。
二、直线电机的优势
高速，直线电机的速度取决于控制器整流出来的电压以及控制器本身.一般的直线电机的速度是3米/秒，其分辨率是1微米.有的直线电机可达到5米/秒。
高精度，精度，分辨率和重复定位精度都是由反馈系统决定的。
快速响应：一般来说，一个直线电机系统，它的快速响应要比普通的机械传动装置要快100倍，所以它的生产效率也更高。
刚度：由于直线电机没有机械连接，所以刚度只取决于系统的增益和电流。
回程间隙：由于没有机械连接，所以也就没有回程间隙。
维护方便：当今的直线电机没有机械上的接触，所以，也就没有维护。
三、直线电机的缺点
成本：由于直线电机的量比较少以及永磁铁的价格，所以直线电机非常贵。由于大多数的直线电机的设计师把永磁铁安装在导轨上的，由于永磁铁非常贵，所以，随着长行程的直线电机就非常贵。然而，随着直线电机的普及和产量的上升，价格在不久的将来会下来。不过，直线电机的反馈系统也应该计算到成本中，编码器和旋转变压器的成本并不时很高，因为长度也不是很长。然而直线电机也需要反馈系统。这些反馈系统的长度要比编码器长很多，所以，价格也就会很高。一个100毫米直线电机的反馈系统就要500多美金.当然，价格也会随着长度而增加。然而，随着新型的反射型编码器的出现，其制造成本势必会下降。
控制器的带宽会有所增加：由于电机和负载之间没有机械的连接，伺服控制器的反映，也就是带宽，必须很快.这就对直线编码器提出了更高的要求。
线圈的尺寸：和旋转的电机来比较，直线电机所产生的力不是紧凑的力.比如要产生65N的持续力，那么直线电机的横截面要50MM X 40MM左右.如果用它和一个横截面是10MM的滚珠丝杠比起来，它所产生的力并不是很大。
发热：在大多数场合，负载是直接装在滑块上面的.任何的过热将直接传给负载.如果负载对热很敏感，那么就必须有降温技术。
四、怎样选择一格直线电机?
选择一个正确的直线电机并不是一格简单的工作.要考虑到各种应用场合，还要计算力，还要考虑发热，轴承的承载以及换向的方法等.然而如果知道些直线电机的工作原理以及优缺点，将有助于做出正确的解决方案。
（一）铁芯直线电机
这种电机的设计直接从一个无刷旋转电机。电动机由一个扁铁铁，稀土永磁体粘合。
柜子的构造叠片和线圈是伤口周围的“牙齿”的叠片。热传感器内部安装的线圈，感应温度。霍尔传感器可以安装在盘管面积或安装在电机边缘。这种电机的优点在于单位尺寸内产生的力最大化，而且价格便宜，散热好。
（二）空气式直线电机
这种直线电机的结构是不带软糍材料的.它由两个永磁体组成，南极和北极.当中用垫圈隔离。其优点在于重量轻，没有爬行.很容易实现速度控制.但其缺点是散热不大好。
五、总结
随着生产要求的不断提高.人们对电机的要求也越来越高.要满足产出高，速度快，定位精确等苛刻的要求.正是在这种背景下，产生了直线电机.但目前来讲，直线电机由于价格的关系，还没有普及，但随着科学技术的进步，直线电机会越来越普及的。
参考文献：
[1]帕克.直线电机原理.海泥汾公司,2002
直线电机系统 篇4
目前,采用DSP和FPGA等处理器实现直线电机的控制时[1,2],先设计制作硬件电路板,然后进行手工软件编程以实现控制算法,但是这种方式存在以下不足:①硬件电路板制作周期长;②DSP和FPGA的处理速度有限,比通用PC的CPU处理速度慢;③手工软件编程耗时耗力,而且易出错。快速原型控制系统能够使控制系统设计者在实际控制器硬件做出之前,先在通用的实时硬件平台上快速实现控制算法,以验证和测试控制方案的可行性,从而提前发现并修正错误,缩短开发周期,降低研发费用。
目前已经有一些快速原型控制系统,如NI公司的Compact RIO、Single-Board RIO和dSPACE公司的dSPACE实时仿真系统,很多学者利用这些快速原型控制系统研究电机控制算法。文献[3]运用dSPACE实时仿真系统对基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制算法进行了验证;文献[4]用Compact RIO搭建了一种新型的直流无刷电机控制系统;文献[5]利用Compact RIO搭建了一套永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)硬件在环实时仿真平台。但是上述几种快速原型控制系统采用的都是专用硬件,开放性不强,而且价格极其昂贵。本文介绍的基于xPC Target的直线电机快速原型控制系统的硬件平台为通用PC机(及其兼容机)和I/O采集卡,具有开放性强、CPU运算速度快以及成本低的特点,结合MATLAB/Simulink强大的控制系统分析设计能力和自动代码生成功能,可以直接、快速地实现PMLSM的控制算法——带有跟踪微分器的非线性PID控制算法,并对该控制算法进行验证和测试。
1 直线电机快速原型控制系统硬件结构
直线电机快速原型控制系统硬件结构如图1所示,包括5个部分,各个部分的功能如下:
(1)宿主机。
运行MATLAB/Simulink,实现控制算法的建模和仿真,并利用xPC Target工具包等实现控制算法的自动代码生成,同时通过网线实现对嵌入式PC目标机的代码下载、控制和数据通信。
(2)嵌入式PC目标机(PC104规格)。
执行由宿主机下载的控制算法代码,实现PMLSM的实时控制,同时通过网线和宿主机通信。
(3)AD/DO卡和光栅尺接口卡。
均采用PC104总线结构,直接插在工业PC中。AD卡用来采样PMLSM的电流,光栅尺接口卡采样PMLSM的速度和位置,DO卡输出脉宽调制波。
(4)功率驱动板。
主要包括单相整流单元和IPM逆变单元,实现功率放大。
(5)直线电机(PMLSM)。
被控对象。
构建完整的直线电机快速原型控制系统,除了要具备上述硬件,还需要在宿主机的Simulink环境下搭建控制算法模型,然后利用自动代码生成工具和xPC Target工具包自动生成控制算法的代码,并通过网线下载到PC目标机中,再通过I/O板卡连接功率驱动板和PMLSM。
2 PMLSM非线性PID控制器设计
基于跟踪微分器(tracking differentiator,TD)的PMLSM非线性PID控制系统结构如图2所示,主要由以下几部分组成[6]:
(1)输入跟踪微分器。
根据PMLSM的最大速度和最大加速度安排过渡过程,给出速度指令的过渡量和微分量。
(2)输出跟踪微分器。
滤除速度反馈测量的噪声,有效提取PMLSM速度及其微分信号。
(3)非线性PID控制器。
计算出速度指令和PMLSM实际速度的误差,并由误差的比例、积分和微分的非线性组合得出控制量。
2.1 跟踪微分器设计
工程上常采用一阶或二阶向后差分法计算信号的微分,但当信号被噪声污染时,这种方法有很明显的噪声放大效应,甚至会淹没正常的微分量[7]。采用跟踪微分器,一方面可以跟踪输入信号,同时还可以很好地计算被噪声污染的输入信号的微分量。
离散域TD如式(1)所示[5]。输入量为r(k),输出x1(k)在加速度λ的限制下以最快的速度跟踪输入r(k),x2(k)为输入r(k)的微分。
式中,h为计算步长;λ为速度因子,其值越大TD的跟踪速度越高;h0为滤波因子,其值越大,TD的抗噪性能越好;f(x1,x2,λ,h0)为离散域最速控制综合函数[8]。
式(1)～式(4)完整地定义了离散域的TD。输入TD的参数需要根据PMLSM的最大速度和最大加速度通过仿真来确定,表1是PMLSM的相关参数和仿真后确定的输入TD的相关参数。
2.2 非线性PID控制器设计
通过上述输入TD来安排过渡过程,可以给出速度给定量v*的过渡量v1及其微分v2;通过上述输出TD可以得出PMLSM速度的跟踪值z1及其微分z2,那么误差e1、误差的积分e0和误差的微分e2可以表示为
非线性PID控制器根据e0、e1和e2计算出控制量u的表达式[9]:
u=k0F(e0,0.25,δ)+k1F(e1,0.75,δ)+
k2F(e2,1.5,δ) (6)
从式(6)和式(7)可以看出,非线性PID控制器需要确定的参数有k0、k1、k2和δ,通过仿真得到最佳的参数值:k0=1.1,k1=1.35,k2=2.3,δ=0.2。
3 系统实验结果分析
在MATLAB/Simulink中搭建了如图3所示的PMLSM控制系统仿真模型,控制算法采用带有跟踪微分器的非线性PID,系统实物平台如图4所示(对应于图1)。控制系统采用宿主机/目标机的方式,目标机为PC104规格的嵌入式工业PC;AD/DO板和光栅尺接口板也采用PC104总线结构,直接插到工业PC上用以实现直线电机电流、速度和位置的采样以及脉宽调制波(pulse width modulation,PWM)生成;驱动板用来实现功率放大,以驱动直线电机。
为了利用MATLAB的自动代码生成工具RTW(real time workshop)来生成运行在嵌入式工业PC目标机控制器上的PMLSM控制算法代码和I/O板卡的驱动代码,需要对图3所示的仿真模型做进一步处理,加入d轴电流PID控制器模块、空间矢量PWM(space vector PWM, SVPWM)模块等,并添加AD/DO板和光栅尺接口板的驱动模块,这样生成的代码中才有驱动这些板卡的程序,目标机才能操作这些板卡来采集PMLSM的电流和速度,并驱动功率驱动板。处理之后可以直接生成代码的系统模型,如图5所示。
在模型文件的参数设置中,设置解算器为步长0.1ms的定步长ode3解算器,设置RTW工具的系统目标文件为xpctarget.tlc,并选中“创建代码生成报告”的选项,然后利用RTW生成图5所示系统模型的PMLSM控制算法和I/O板卡的驱动代码,并最终生成可以下载到目标机上运行的dlm文件。利用xPC Target工具可以将dlm文件通过网线下载到目标机上,并能控制程序的运行状态,并将目标机处理器的数据上传至MATLAB中作图分析。
图5中的速度指令模块对PMLSM施加频率为2Hz的±1m/s方波速度指令,经过目标机实时计算1s后,得到图6、图7所示的实验结果。
图6所示为-1～1m/s方波速度指令响应曲线,PMLSM在0.08s时间内由静止加速到1m/s,在0.12s时间内由1m/s减速到-1m/s,并且均无超调。可见,PMLSM在有限时间内快速、平稳、无超调振荡地跟随速度命令。
图7所示为非线性PID控制器计算出的控制量。从图7可以看出,非线性PID控制器能根据PMLSM速度指令实时调节对PMLSM的控制输入量,以实现PMLSM的伺服控制。
给PMLSM施加1m/s的阶跃速度命令,分别在0.2s和0.6s突加和突减50N负载,得到图8所示的实验结果。可以看出,当突加和突减负载时,非线性PID控制器能根据负载扰动自动补偿得出控制量,最终控制直线电机能在0.2s左右的时间内稳定至1m/s的给定速度,速度的波动量仅为0.05m/s左右(5%)。
4 结语
本文以嵌入式工业PC为控制器,配以数模转换板、数字量输出板和光栅尺接口板及功率驱动板,搭建了直线电机快速原型控制系统硬件平台,并在Simulink中建立了PMLSM带有跟踪微分器的非线性PID控制系统仿真模型,利用RTW和xPC Target工具箱生成了控制算法和I/O板卡的驱动代码,实现了PMLSM带有跟踪微分器的非线性PID控制系统。实验结果证明,这种基于xPC Target的直线电机快速原型控制系统能够直接、快速地实现并验证在Simulink中建立的控制算法,具有很高的灵活性,而且PMLSM中带有跟踪微分器的非线性PID控制系统具有很好的动静态特性和抗扰性。
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直线电机系统 篇5
关键词：DSP/BIOS,永磁直线同步电机,伺服控制器
0 引言
永磁直线同步电机, 具有推力强, 损耗低, 时间常数小, 响应快等特点, 能够直接产生连续单向或往复行程的直线机械运动, 省去了传统旋转电机实现直线运动的中间环节, 因而在伺服性能上大大提高了。但是, 由于直线电机消除了机械传动链所带来的一些不良影响, 为此却增加了电气控制上的难度, 特别是在要求高精度, 响应快, 微进给的控制场合, 需要采取特别的控制方法和技术提高控制性能[1,2,3,4,5,6,7,8]。
随着控制技术和通讯技术的快速发展, 伺服控制器应用软件必须包含各种复杂的数学算法, 同时要完成同其他通用微处理器间的通讯。依靠传统的前后台软件开发模式设计的程序, 在实时性, 稳定性和可维护性上很难得到保证。DSP/BI-OS是TI公司提供的一个用户可裁剪的嵌入式操作系统, 主要由三部分组成:多线程内核, 实时分析工具和芯片支持库, 在其上可以方便地开发多任务的应用程序。本文将DSP/BIOS实时操作系统应用到基于TMS320F2812的直线电机控制系统中, 提高了开发效率, 保证了系统的实时性, 稳定性和可靠性, 并且便于维护和扩展, 取得了良好的控制效果。
1 永磁直线同步电机伺服系统控制策略
在矢量控制下, PMLSM的初级绕组在d-q轴模型电压方程为[2]:
式中:Ud、Uq为d-q轴电压, id、iq为d-q轴电流, ψd、ψq为d-q轴磁链;p为微分算子;rs为电枢电阻;ωr为动子电气角速度, 且ωr=πντ=2πƒe, ν为动子线速度, ν为极距, ƒe为电源频率。
初级磁链方程为:
其中:Ld、Lq为d-q轴电感;λΡΜ为定子永磁体磁链。
电磁转矩方程:
从上式看出, 永磁直线同步电机的电磁转矩基本上决定于动子交轴电流分量和定子永磁体磁链。
由于定子永磁体磁链恒定不变, 本文采用id=0的控制策略实现电流解耦, 所有的动子电流都作为电流转矩分量, 实现了用磁场定向方式来控制永磁直线同步电机在基速以下恒转矩运行。
由图1知, 系统是由位置、速度与电流三闭环组成。其位置反馈信号及速度环的速度反馈信息均来自与电机动子同步移动的光栅尺, 最外环的位置控制器实现对电机的位置控制, 内环电流环是通过一系列的坐标变换后把静止坐标系下三相电流转换成旋转坐标系下的两个直轴分量分别进行调节控制, 最终采用SVPWM调制算法, 控制逆变器IGBT的关断, 实现对直线电机的控制。
2 永磁直线同步电机伺服控制系统
永磁直线同步电机伺服控制系统主要由伺服控制器和电机两部分组成, 其中伺服控制器由以DSP核心的控制板、功率驱动板以及相应的反馈检测电路组成。直线电机采用科尔摩根公司的PLATINUM直线电机, 动子型号为IC11-050A1ACTRC1, 定子型号为MC050-1280-001。
在图2中, 控制板是直线伺服系统的核心, 它获得给定的指令信号, 由A/D采样电路获得三相电流实际值, 由光栅尺获得电机动子的实际位置信号, 经过运算后输出六路SVPWM信号, 经过光耦隔离后控制三相逆变电路, 达到控制电机行程与速度的目的。逆变部分以IPM为核心, 接收经过光电隔离处理的PWM控制信号, 实现电能的变换。主电路有过压、欠压、短路、电源掉电、IPM故障和电机制动等保护功能。
3 基于DSP/BIOS的伺服程序设计
3.1 软件任务的分配
伺服控制器的软件采用在DSP/BIOS中配置和编程相结合的方式。该软件使用了DSP/BIOS中的三种资源, 3个硬件中断, 1个软件中断和1个任务。具体任务分配如图3所示, 其中SWI0优先级设置为最高, 系统初始化后马上触发SWI0完成初始寻相, 硬件中断PIE_INT3_5中断实现捕获中点零位脉冲 (Index) ;PIE_INT1_5故障保护享有最高优先级, 由外部处理后的故障信号触发;当故障保护中断产生时, 保护中断服务程序将迅速封锁PWM出, 并发出报警消息给人机交互任务显示。PIE_INT2_6由定时器T1下溢周期触发中断, 完成伺服三环控制算法。人机交互任务 (Task0) 负责接收发送的消息, 并对显示的实时刷新, 并且负责对键盘的扫描和对输入的响应。所有的任务在DSP/BIOS的调度下按照任务、中断的优先级排队等待执行。
3.2 伺服三环程序的实现
伺服三环程序是整个控制算法的核心, HWI对象PIE_INT2_6功能:完成电流环、速度环、位置环调节及驱动输出控制, 其程序流程如图4所示。本系统中, 电流环调节的频率为10 k Hz, 速度环和位置环的频率为2.5 k Hz, 当DSP/BIOS响应硬件中断PIE_INT2_6时, 程序执行读取A/D转换后电流的采样值, 通过读取光栅编码器的数值计算得到直线电机动子磁极位置角。通过Clarke变换将三相电流变换为静止的两相电流, 再通过Park变换变换为旋转坐标系下的直轴电流id和交轴电流iq。id、iq与电流环给定值作比较后, 通过PI调节器调节输出Ud、Uq再经过IPark变换得到输出的Vα、Vβ, 执行SVPWM模块进行运算后输出六路脉冲信号控制智能功率模块IPM六个集成开关管, 通过开关管的导通和关断输出三相交流电控制电机的运行。
3.3 初始寻相程序
本系统采用增量式光栅尺作为位置传感器, 每次上电必须检测初始磁极位置, 确定电机的d轴与A轴之间的电角度, 才能准确的进行电流环的矢量运算。本系统采用的方法是给电机施加固定的电压空间矢量, 电机的动子会在此电压矢量的作用下运动到与之重合的位置。但是当给电机施加直流电压时, 动子绕组的电流会很大, 因此要控制施加直流电压得幅值和时间。为了避免给电机施加直流电压时加速度过大, 采用缓慢升高直流电压幅值的方式。其程序流程如图5所示。
4 实验结果
直线电机采用科尔摩根公司的PLATINUM直线电机, 永磁体材料为Nb Fe B, 直线电机具体参数如下:电阻为:R=2.6Ω;电感L=26.7 m H;动子质量M=3.6 kg;极距2τ=32 mm;推力常数Kf=69.2 N/A。光栅尺采用GSI公司的Micro E M-II4400, 分辨率为0.1μm。
进行电流闭环实验, 电流环采样周期为0.1 ms;经工程整定法和实验调试, 确定电流环PI参数为:Kp=1.079, KI=0.010 3。图6为闭环电流响应波形图 (V、W相) ;电流的有效值为1.35 A, 频率为100 Hz。
进行速度闭环实验, 速度环采样周期为0.4 ms;经过实验不断调整, 确定速度环PI参数为:Kp=1.756, KI=0.020 4。先使电机以-0.03 m/s运行, 然后再使电机0.03 m/s运行, 正向运行时U、V和W相位关系如图7所示, 速度响应曲线如图8所示。
最后进行位置环实验, 给定位置指令:以0.3m/s速度运行12.5 mm距离, 响应时间为0.14 s, 位置定位误差为0.3μm。位置响应曲线如图9所示。
5 结论
本文通过采用DSPF2812实现对永磁同步直线电机高速高精度的伺服控制, 并且在DSP/BIOS实时操作系统上完成了软件设计, 实验结果表明, 基于实时操作系统的直线电机伺服控制能够达到良好的效果, 而且软件的可移植性, 可扩展性和易维护性都得到了提高, 具有一定的实用价值。
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直线电机系统 篇6
随着科学技术的发展, 计算机技术已成为现代社会生活和生产中不可分割的一部分, 芯片作为计算机技术的核心部件之一, 在我们的生活中无处不在, 因此对芯片的检测显得尤为重要。芯片内部结构精密而复杂, 因此对检测系统的定位精度要求极高。直线电机是一种能够将电能直接转换为直线机械能而不需要任何中间转换装置的特种电机, 因其相较于传统的旋转电机, 具有高推力、高速度、高精度、平滑进给等优良的特性, 因此越来越受到各行业的广泛青睐。文中以直线电机作为驱动装置, 通过对软硬件的设计及优化, 使得检测系统达到了极高的定位精度。
1 定位系统硬件设计
芯片检测通常采用超声波检测技术, 超声波芯片检测系统的工作方式如下:芯片以一定速度被送往检测探头处, 检测探头以非接触的方式与芯片同向, 同速运行。同时探头以一定速度左右横向运行, 对芯片进行检测。当横向检测芯片完成后, 检测探头迅速回到原位。
根据检测系统的工作方式, 检测探头共需要三个方向的运动, 故此系统为XYZ三轴三维定位系统。其中, X轴方向与芯片的传送方向相同, 为保证检测探头与传送装置的协调运行以及对检测头支撑, 采用龙门结构设计, 共需两组相互平行的直线电机。Y轴方向负责检测探头的左右横向运行, 需一组直线电机。Z轴方向负责检测探头与芯片间距的调整, 需一组直线电机。直线电机定位系统结构如图1所示。
直线电机有多种类型, 文中选取U型电机作为驱动电机。U型电机是一种三相交流永磁同步直线电机, 因其为无铁芯结构, 故电机不会产生齿槽效应, 常用于需要平滑, 大加速度的场合[1]。文中选用电机型号为LMMH-0080-135-00。电机检测反馈装置是决定直线电机定位精度的关键装置, 文中选用英国的RENISHAW公司的RG2系列直线光栅系统作为检测反馈装置, 具体型号为:直线光栅读数头RGH22及直线光栅RGS20-S。直线导轨是系统的支撑和引导部件, 文中选用日本THK公司的HSR15系列直线导轨。伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分, 它通过对伺服电机的位置、速度和力矩进行控制, 实现高精度的传动系统定位, 文中采用美国Copley Controls公司的Xenus XTL-230-40。
2 定位系统软件设计
文中定位系统共有三个轴四个电机组成, 其中每一个轴的控制环节大致相似, 因此文章仅对其中一个轴进行研究, 其单轴控制结构整体框图如图2所示。
直线电机伺服控制系统为典型的三环控制系统, 即电流环、速度环和位置环。由于电流环参数难以调整, 故文章主要对直线电机速度环和位置环进行设计。
文章采用矢量控制技术来进行电机控制。矢量控制理论是目前交流电机中运用最为广泛, 最为成熟的控制方法。矢量控制通过控制励磁磁场和与它垂直的电枢电流来控制电机电磁转矩, 最终实现电机的控制。矢量控制需要精确的数学模型, 通过坐标变换法, 可以建立起U型直线电机轴数学模型。U型直线电机动力学方程为[2]:
式中:Fe为电磁推力, iq为q轴上的动子电流, Kf为电机推力系数, M为电机动子质量, v (t) 电机为动子速度, B为电机粘滞系摩擦数, Fl为外部扰动。
直线电机传递函数为:
位置环是三环结构中的外环, 直线电机的位置环控制精度直接决定了定位控制系统的定位精度。因此位置环控制需要有足够的控制精度。文中位置环采用前馈控制与比例控制相结合的控制方式。
前馈控制原理图如图3所示。
由图3可得系统输出为:
则由系统误差定义可得系统误差为:
可见前馈控制理论误差为零, 可以很好的保证系统的控制精度, 同时又兼具快速响应的特性。
速度环需要较快的响应速度。前馈控制可以把指令直接传递给被控制对象大大提高了控制系统的跟踪指令性能和响应速度, 故文章采用带前馈的伪微分反馈控制器 (PDFF) 。PDFF控制器兼具了PI控制器响应速度快和IP控制器抗干扰能力强, 鲁棒性好的优点。
由前文位置环控制器和速度环控制器可得系统单轴控制框图如图4所示。通过MATLAB仿真实验, 系统的定位精度误差控制在±1×10-4m以内。
3 结束语
文中以U型直线电机为驱动电机, 搭建了检测系统的硬件结构。同时设计了前馈———比例位置控制器和PDFF速度控制器。通过硬件和软件的设计达到了检测系统定位精度要求。
摘要：芯片在封装过程中可能存在金线断裂, 封装开裂等内部损伤, 通常需要进行内部探伤来检测其是否合格。由于芯片内部元件以及线路极其精密, 因此对检测系统的驱动定位系统也要求具有极高的精度。文章基于U型直线电机高精度的特点, 设计了由U型直线电机驱动的超声波芯片检测定位控制系统, 通过对由U型直线电机驱动的工作台硬件以及软件的设计, 达到了芯片检测的要求。
关键词：U型直线电机,定位系统,控制系统
参考文献
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直线电机系统 篇7
传统PI控制,是直线感应电动机矢量控制中通常采用的一种经典控制方法。但直线电动机运行时某些参数会发生变化,而PI控制器不能及时调整自身的控制参数来适应这种变化,无法满足高性能的调速要求,表现出较差的自适应性与鲁棒性。模糊控制具有许多优良的控制性能[1],特别是模糊控制不依赖于控制对象的数学模型,可以兼顾系统的动态与静态性能要求,表现出很强的适应能力与鲁棒性[2]。因此本文提出了采用模糊控制技术构造自调整模糊控制器,以改善直线感应电机矢量控制性能,仿真结果表明,自调整模糊控制器的自适应性与鲁棒性较强,可以大大改善直线感应电动机的运行性能。
1 传统PI控制器直线电动机控制
在异步电动机矢量控制系统中,传统PI控制器常用于直线电机次级磁链与速度调节。常规PI控制规律为:
式(1)中:u(k)为传统PI控制器输出,y(k)、r(k)分别为被控系统实际输出和期望输出,e(k)为系统的偏差信号,Kp、Kl分别为传统PI控制器的比例、积分增益,K为采样时刻。
通过调整控制参数,传统PI控制器能够实现精度要求不高的异步电动机矢量控制,但不能满足高性能的调速要求,因为它是一种基于对象模型已知、参数不变基础上的线性控制,而且对于控制参数的整定,主要凭经验,一经整定基本不变,很难获得参数的全局性最优值,表现出较差的白适应性与鲁棒性。
2 自调整模糊速度控制器的设计
传统的PI控制器并不能使系统获得强鲁棒性和强抗干扰能力,需要继续开发新型的控制器来提高控制系统的鲁棒性。把模糊控制引入矢量控制系统有助于解决这些问题[3]。带有非线性行为和模糊推理的模糊控制在电机控制领域是一种非常有效的控制方式,并已得到了广泛的应用[4]。在常规或复合的模糊控制器中,量化因子K1、K2和比例因子K3是固定的,而它们的大小对模糊控制器性能的影响很大,显然选取一组定值不能满足系统动、静态两方面的要求。为此采用参数自调整模糊控制方式,所设计的模糊控制器采用量化因子、比例因子和模糊控制规则可调整的自调整模糊控制技术。自调整模糊速度控制器的总体结构如图1所示。
2.1 量化因子和比例因子自调整设计
量化因子和比例因子等参数调整的作用是根据误差和误差变化率,在线调整K1、K2、K3,使系统的动态特性、稳态性能更好地相互兼顾。对于本系统来说,调整规律是:当E、EC较大时,控制系统主要是要减小误差,加快动态过程,而E、EC不是主要矛盾,应取较大控制量,所以可缩小K1和K2,增大K3。当E、EC较小时,系统将接近稳定值,此时应该提高E和EC的分辨率,放大K1和K2,这相当于缩小了模糊控制器的死区,同时减小K3,使控制量的阶跃变化小,最终达到稳态误差小的要求。由以上分析可见,K1、K2的变化倍数和K3的变化倍数可以取成互为倒数[6]。
变化倍数用调整系数N来实现。调整因子N亦采用二维结构的模糊控制器。该辅助模糊控制器的输入信号仍为误差e和误差变化率ec,输出为比例因子的调整系数N。其中模糊变量E、EC划分为论域[-6,6]上的7个语言变量{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},而N定义在论域[0,4]上的7个语言变量{ZE,VS,S,MS,MB,B,VB}。为了增强系统的鲁棒型,该模糊控制器选对称、均匀分布、全交迭的三角形隶属函数。每次运行时,以最初设定的K1、K2对E和EC量化,由E和EC查询调整系数N的取值表,得出相应的调整系数N,使K1=K1*N、K2=K2*N、K3=K3*N,然后用修改后的K1、K2、K3进行新的量化和控制。该系统电机速度给定V*定为3m/s时,K1=20/3,K2=50/3,K3=1/4。
2.2 模糊规则可调整因子设计
对于一个常规的二维控制系统而言,在控制过程的初始阶段,系统的误差往往较大,控制系统的主要目的是消除误差,这时希望误差值在控制规则中的加权系数应大一些;反之,当控制过程趋向稳定阶段,系统误差已经较小,控制系统的主要任务是减小超调,使系统尽快稳定,这就要求在控制规则中,把误差变化率值的加权系数增大。因此,对于复杂过程的控制系统,在控制过程的各个阶段,对误差、误差变化率的权重应当有不同的要求。误差E、误差变化率EC和控制量U的论域等级划分相同:E=EC=U={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},对于给定的输入E*,规则因子α的自调整公式为:
式中:αH和αL分别为规则因子的上、下限。
然后计算调整后的E、EC:E=αE*、EC=(2-α)EC*。这种自调整模糊控制器符合系统控制过程在不同误差值阶段要求有不同数值的特点,并且兼有自寻优的性质。本控制器取αH=1.3,αL=0.7。
3 仿真及结果分析
仿真模型运用MATLAB软件的Simulink[7,8]工具箱搭建,主要由速度控制器、电磁推力和速度观测器、电流控制器和直线感应电机模型4部分组成。直线感应电动机参数如下:(型号xy1809B-4.5CU2)次级电感L2=0.03mH;初级电感L1=2.7H;互感Lm=0.034mH;次级电阻R2=0.05Ω;初级电阻R1=0.05Ω;极距τ=4.5cm;极对数p=2;电机长度188mm×95mm;启动推力F=8N;额定气隙g=2mm;频率f=50Hz;同步速度Vs=4.5m/s。质量m=20Kg,采样周期Ts=20µs。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗干扰性能指标。本文将通过计算机仿真,将模糊控制与PI控制进行比较。
3.1 对给定信号的跟随性能
为了研究对给定输入信号的跟随性能,给定输入信号分别为单位阶跃信号、方波信号、斜坡信号、正弦信号。仿真结果如图2所示。
在给定输入信号的跟随方面,自调整模糊控制能够使系统对恒值输入的稳态跟踪差为零。对非恒值输入,如正弦信号也能较好的跟踪。动态跟随性能指标中,无超调,调节时间短,上升时间比PI控制短。
3.2 对扰动信号的抗干扰性能
输入信号为单位阶跃信号,0.5S给扰动输入信号为0.16N方波信号,0.7S去掉扰动信号,仿真曲线如图3所示:
在抗干扰信号方面,从仿真曲线可以得知,0.5S给扰动输入信号为0.16N方波信号,自调整模糊控制偏离稳态值不到0.01,而传统的PI控制几乎不具有抗干扰能力,明显自调整模糊控制比传统PI控制具有较强的抗干扰能力。模糊控制与PI控制性能指标比较见表1。
从以上表格可以看出,采用自调整模糊控制器直线感应电机控制系统的控制性能比采用PI控制有了较大幅度的提高,特别是动态性能方面各项控制指标有了成倍的性能提升。主要原因是直线感应电机在动态运行时其结构参数发生着变化,电机的数学模型也会不断发生改变。这样,不依赖于被控对象的精确数学模型的自调整模糊控制相比基于被控对象的精确数学模型的PI控制,具有较大的优越性。
4 结论
1)在给定输入信号的跟随方面:模糊控制能够使系统对恒值输入的稳态跟踪误差为零。动态跟随性能指标中,无超调、调节时间短。跟随性能比PI控制好。
2)在扰动输入信号的抗干扰方面:对扰动输入信号的稳态抗干扰误差,当扰动信号为方波信号时PI控制的稳态抗干扰误差为零。模糊控制对有界扰动保持抗干扰性能不变,即对不确定性扰动具有鲁棒性。
摘要：针对直线感应电机矢量控制系统因电机参数变化和负载波动等因素而性能变差的问题,提出了一种参数自调整模糊控制方法。该方法根据直线电机速度误差E和误差变化率EC的大小来自动修正速度模糊控制器的量化因子和比例因子,同时改变了E和EC作用的权重。应用MATLAB软件设计基于自调整模糊控制器的直线感应电机矢量控制系统仿真模型并进行仿真研究。仿真结果说明,这种参数自调整模糊控制方法能使直线电机控制系统的动态和稳态性能都得到提高,而且具有较强的鲁棒性。
关键词：自调整模糊控制,规则可调整因子,矢量控制,鲁棒性
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直线电机系统 篇8
在直线电机控制系统的传统纯数字离线仿真研究中,电机及负载模型都是在一定假设条件下的简化模型,与实际对象存在差异[1]。另一方面,纯数字离线仿真无法考虑到电机控制系统实际处理器的运算能力、存储器的限制、中断及I/O接口电路电气特性等诸多因素的影响,因此,纯数字离线仿真设计得到的控制算法在实际应用中需要进行复杂的参数修正过程。而在采用单片机或DSP的数字运动控制系统开发过程中,不仅需要手工编写大量算法,而且需要开发相应的接口电路及驱动检测装置,开发周期长、重复性工作多。现代仿真技术的发展为上述问题的解决提供了很好的工具[2]。
硬件在回路实时仿真与控制(Hardware-in-Loop)是目前国外控制系统设计的常用方法,它把计算机仿真(纯软件)和实时控制(硬件在回路)有机结合起来,用户可把仿真结果直接用于实时控制,可极大提高控制系统的设计效率。目前,这一系统或设计方法已经在国外的高校和实验室得到普遍采用,最典型的例子为德国的d SPACE快速控制系统原型设计系统。d SPACE实时仿真系统在运动控制系统开发应用中在国内外已经得到了应用[3~10]。
d SPACE实时仿真系统实现了与MAT-LAB/Simulink无缝链接,并支持代码的自动生成,实现了从基于MATLAB/Simulink的纯数字离线仿真到硬件在回路的半物理实时仿真的快速过渡前,而在国内仅有极少数的院校开展了这方面的研究。
郑州微纳科技公司自主研制的c SPACE硬件在回路控制系统(HIL)是基于TMS320F2812DSP开发,与德国d SPACE公司的DS1104卡相当,拥有d SPACE-DS1104所具备的大部分接口功能和快速控制原型开发、硬件在环仿真技术,通过Matlab/Simulink设计好控制算法,将输入、输出接口替换为微纳公司的c SPACE模块,编译整个模块就能自动生成DSP代码,在控制卡上生成相应的控制信号,从而方便地实现对被控对象的控制。
在工业应用中,传统的交流或直流拖动结构多为电机通过齿轮或丝杠等中间机构带动负载做机械运动,通常电机或系统没有反馈元件,系统运行的平稳性较低,无法进行精确的位置控制,且调速范围有限。随着计算机、材料、功率电子、电机设计及制造技术水平的提高,传统的电机拖动概念及技术已经不能适应现代工业的需求,现代工业装备对电机拖动的要求不再仅仅是提供足够动力,而且还要可控并能够提供足够的控制精度。
而直驱直线电机是伺服驱动技术发展的前沿。直驱直线电机能够提供直线运动而不经过中间转换机构,因此以快速动态特性、结构简单、宽调速范围、高定位精度等优点,获得了广泛的关注。
本文叙述了c SPACE实时仿真系统的设计及基于c SPACE的先进PID直线电机实时仿真控制过程,并给出了相应的实验结果。
1 c SPACE直线电机实时仿真系统
c SPACE采用国际上控制系统设计的常用方法(硬件在回路实时仿真与控制)设计,把计算机仿真和实时控制结合起来,极大提高控制系统的设计效率和性能。采用MATLAB/Simulink软件对c SPACE进行开发,设计控制系统只是搭建Simulink模块,图形化编程,并且可以充分利用MATLAB的资源。c S P A C E硬件在回路控制系统的硬件系统基于TMS320F2812DSP开发,拥有这款DSP丰富的外设资源,并且外扩三路DA模块和两路正交编码信号模块,使得这套系统拥有更强大的功能,能同时对三台电机进行实时控制。
在MATLAB环境下,c SPACE能实时观察变量、实时修改控制参数、以图形方式实时显示控制结果,并且DSP采集的数据能以MATLAB数据文件的形式被保存到磁盘。图1为c SPACE开发流程图。
2 c SPACE的先进PID直线电机控制
本控制系统中采用的直线电机是由郑州微纳科技有限公司自主研发的无铁芯永磁同步直线电机,主要的性能指标是最大速度为1m/s,最大加速度为60m/s,额定推力为30N,峰值推力为80N,位置检测装置光栅的分辨率为5µm,位置信号输出是正交编码信号,直线电机的控制信号是(-10,+10V)的模拟电压信号,设置直线电机驱动器的增益为1V对应10000count/s,即输入(-10,+10V)电压时,直线电机的速度为(-0.5,+0.5m/s)。
本文采用c SPACE硬件在回路系统设计控制系统,控制直线电机跟踪正弦曲线运动,并在线修改PID参数和重复控制补偿回路的参数、正弦信号的幅度、观测直线电机运行的轨迹和跟踪误差以及控制电压输出,同时把电机实际运行的轨迹保存到磁盘文件,用于后期的分析研究。
2.1 重复控制补偿的高精度PID控制
重复控制是日本的Inoue于1981年首次提出来,用于伺服系统重复轨迹的高精度控制。重复控制能提高系统跟踪精度,其原理来源于内模原理。加到被控对象的输入信号除偏差信号外,还叠加一个“过去的控制偏差”,该偏差是上一周期该时刻的控制偏差。把上一次运行时的偏差反映到现在,和“现在的偏差”一起加到被控对象进行控制,此控制方式,偏差重复被使用,所以称为重复控制。经过几个周期的重复控制之后可以大大提高系统的跟踪精度,改善系统的品质[11]。
如图2所示是c SPACE Simulink搭建的重复控制补偿高精度PID算法框图,直线电机跟踪正弦曲线的控制系统为单输入单输出系统,c SPACE控制卡采集直线电机的位置信号,与设定的正弦信号比较得到误差信号,误差信号经过该控制算法运算后得到控制量,控制量经过驱动器放大后驱动直线电机,这样构成直线电机运动控制闭环系统。表1是对图2中的各个模块进行了说明。
通过运行16模块,编译图2中的由simulink搭建的重复控制补偿的高精度PID算法环节,编译成功后,运行18模块,启动了图3所示的c SPACE控制界面,我们选择了正弦输入信号的频率为2Hz,直线电机的行程为100mm,PID最终的调节参数分别为1.0,17,0。跟踪误差在0.4mm之内,经过PID参数的调节和重复控制补偿参数的调节(在线对图2中的1,2,3,4,17模块参数进行修改),得到较好的跟踪和响应图形如图3所示。
在图3的跟踪特性中,因为误差较小,所以图中给定输入和电机的输出基本重叠。图2和图3中“WM-Read1”、“WM-Read2”、“WM-Read3”、“WM-Read4”四个图形模块分别显示给定输入、电机输出、跟踪误差和电机的输入电压四个设定观测的变量,所以能实时显示4个观测点的值。
图3中c SAPCE共有10个变量在线修改模块,对于需要使用的模块,直接在文本输入框中输入数据,然后点击图中“下载参数”按钮,下载参数。这些变量在线修改模块与图2中simulink算法文件中变量在线修改模块按照模块名称的序号一一对应,如图2中的“WM-Write1”对应图3中的“Write1”,用于修改输入信号正弦波的幅值;图2中的“WM-Write2”对应图3中的“Write2”,用于修改控制器P参数;图2中的“WM-Write3”对应图3中的“Write3”,用于修改控制器D参数;图2中的“WM-Write4”对应图3中的“Write4”,用于修改控制器I参数;图2中的“WM-Write5”对应图3中的“Write5”,用于修改重复补偿控制PID的参数。
2.2 c SPACE控制界面特点
如图3所示,在MATLAB环境下开发,用户只需了解简单的MATLAB和Simulink知识就能对c SPACE快速控制原型开发系统进行开发;采用TI公司DSP芯片的RTDX(实时数据交换)技术实现数据的高速传输,占用DSP和PC机的资源少;能在线修改10个变量和实时显示4个变量;界面简单明了;用户在使用实时显示变量和在线修改变量模块的个数不限,控制界面会自动识别用户设置这些功能模块的设置;实时显示变量的数据以txt文本文档格式自动保存在当前MATLAB工作路径下,可以充分利用MATLAB的功能对历史数据进行分析处理;针对电机的控制,专门设置串口通讯模块控制电机的启动和停止,即使在USB线路出故障的条件下也能由界面通过串口停止电机。
3 采用MATLAB对历史数据处理
在图3中数据保存区域,有四个量“Read1”、“Read2”、“Read3”、“Read4”,分别对应着电机的给定输入,电机的实际输出,电机的跟踪误差以及电机的实际输入电压。选择任意一个选项,在任何时间点击开始保存按钮,在c SPACE的图形界面中可以立即保存相对应的数据为文本格式。在Matlab的Current Directory窗口中对要导入的数据文件点击右键,如在文件名上点击右键,弹出的右键菜单中选择“import data”,弹出以下对话框:
点击“Finish”按钮,就能把数据文件导入到MATLAB的Workspace当中,如下图所示:
点击选中导入的数据,,点击按钮,可以绘出所需的图形。
4 结论
c SPACE系统硬件成本底,控制系统设计好后,可以把生成的目标代码烧写进控制卡,从而构成脱离计算机而独立运行的嵌入式控制系统,控制被控对象,整个过程用户不需进行硬件和C语言或汇编语言的开发,极大减小用户构建控制系统时间和降低成本。
c SPACE与Matlab/Simulink实现了很好的无缝连接,在教学科研工作中,科研人员能方便的使用Matlab/Simulink进行控制算法设计和在线仿真的功能,使科研人员进行控制系统的快速开发,而无需进行针对算法实现的软硬件开发过程,这样可以把主要的问题放在设计而不是硬件平台的实现上。使得电控单元系统及机械控制系统的开发和测试将更加简捷和高效,c SPACE与d SPACE相比,性能相当,但价格具有明显的优势。
参考文献
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直线电机系统 篇9
20世纪90年代初, 国外首次提出了“直线同步电机驱动的垂直运输系统”的构想, 并开始理论和试验研究, 主要包括高层建筑电梯和矿井提升系统两个方面的应用[1]。我国于1995年开始此项研究, 焦作工学院于1998年年底建成了PMLSM矿井提升系统试验模型[2]。
旋转电机通过转换机构将旋转运动转换为直线运动, 由于存在转换装置和中间传动机构, 所以存在体积大, 效率低, 精度差等问题。采用直线电机作为伺服系统的俯仰驱动单元, 直线电机的初级和次级与被驱动平台直接安装, 消除了从电机到被控对象的中间环节, 是一种理想的传动方式[3]。尤其是将直线电机用于伺服平台俯仰向的驱动, 与传统的“旋转电机+滚珠丝杠”或者液压油缸等传动形式相比, 具有结构紧凑, 传动精度高, 加减速性能好, 速度范围宽, 没有传动误差和反向间隙等优点。同时, 它具有很高的极限速度、很强的加速能力以及良好的定位精度, 因此它是作为直线运动的理想的传动方式[4,5]。
典型的应用例子是美国Ingersoll铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM800和X、Y、Z轴均采用永磁式直线伺服电机驱动[6];在直线电机高低向应用主要有, 东京丰岛万世大楼的电梯是第一部由直线电机驱动的电梯, 日本三井精机公司的高速工具磨床, Z轴上下移动采用的直线电机可达400次/min;俄罗斯重点研究的矿井提升系统[7]。从已知的资料看在提升系统中, 日本目前的研究重点还是电机本身, 俄罗斯更注重机械结构, 国内将垂直使用的直线电机应用到摆动氚钛靶装置[8], 焦留成对永磁同步直线电机在垂直提升系统中应用时的磁场分析、电磁参数、结构参数、模型等进行了分析[9]。
1 直线驱动伺服平台非线性特性分析
本论文研究的以直线电机作为俯仰向驱动机构的伺服试验平台实物和结构如θ, 其中θ为的直线电机驱动负载平面的俯仰向运动角。从系统组成结构上来看, 该伺服平台俯仰向由四部分组成:平台机械结构部分、直线电机系统、挠性速率陀螺仪系统和计算机控制系统。
但是, 从另一方面考虑, 直接驱动的方式也致使系统参数摄动, 负载扰动等非线性因素不经过中间环节缓冲而直接作用到直线电机系统, 这些非线性因素是造成系统性能下降的主要因素。在本系统中存在的非线性因素主要可以分为两类, 如负载阻力扰动、摩擦扰动、推力纹波、齿槽推力、永磁体磁链谐波扰动和端部效应等;另一类是以直线电机为驱动单元时常有的非线性因素, 另外一类是由于本伺服平台结构特点所特有的非线性因素。
直线电机用于伺服平台俯仰向的驱动时, 其负载特性和运动特性都不是线性的变化关系。动子负载M包括直线电机动子质量及与动子相连接的机械部件的质量。当同时考虑M以及运动平面的不平衡力矩Mp时, 负载平衡力Fx同运动平面转角θ间的力角特性如图2曲线所示非线性关系。
2 直线电机驱动伺服平台自抗扰控制器设计
以上讨论表明, 由直线电机驱动的伺服试验平台, 其运动轨迹呈现出非线性特性, 这直接导致控制系统参数随着平台运动而在一定范围内变化, 对于控制器而言, 被控对象的模型在不断改变, 此外由传感器引入了量测噪声等非线性因素。考虑大量的干扰、非线性特性和建模的困难性, 本文利用自抗扰控制器不需要知道被控对象的内部机理和外扰规律的特点, 将未建模动态和未知外扰都归结为对象的未知扰动, 用输入输出数据估计并给予补偿, 分别设计适用于本系统的自抗扰控制器的跟踪微分器 (TD) 、扩张状态观测器 (ESO) 和PD控制器。
假设模型参数变化和量测噪声等为干扰因素, 通过辨识可得图1所示平台的系统位置环开环标称模型为:
则微分形式为:
根据控制对象阶次应该设计四阶的ESO, 但是这样会给参数调整带来麻烦, 为了降低参数调整的难度, 利用扩张状态观测器实现降阶来设计自抗扰控制器。利用扩张状态观测器来实现降阶具体思路是:利用扩张状态观测器估计未知模型和外扰的能力, 来估计出系统的高阶部分, 然后再进行补偿, 补偿以后的系统就近似成一个简单的低阶的积分串联结构。
2.1 跟踪微分器的设计
二阶跟踪微分器 (TD) 的离散化公式为:
其中h是采样步长, fhan为如下非线性函数:
式中d=r·h0, d0=d·h0, y=v1-v+h0·v2, a0=槡d2+8r·|y|,
这里TD的输入v为给定的指令角度值。两个可调参数中, r为“速度因子”, 决定了跟踪速度;h0为“滤波因子”, 起对噪声的滤波作用。
2.2 扩张状态观测器的设计
将式 (2) 改写成:
将输出的三次微分也当做干扰进行估计和补偿, 设计如下扩张状态观测器:
2.3 控制器算法设计
由抗扰控制器结构可知, 算法首先用ESO中扩张状态补偿得到一个新的对象, 然后给这个新的对象设计PD控制器, 即取TD和ESO相应输出之差的线性组合作为新被控对象的控制量, 控制算法结构框图如图3所示, 算法整体公式如图4所示。
这里未能确定的参数是β1和β2, 它们是PD控制器的两个参数, 仿真和试验中需要调节。
3 基于RTW和x PCI的实验系统设计和结果分析
3.1 实验系统设计
鉴于基于RTW和x PC Target半实物仿真具有良好的实时性、快速性及控制设计的直观性, 构建基于RTW和x PC Target双向转台半实物仿真实验系统, 如图5仿真计算机由基于x PC Target双机结构, 即宿主机-目标机组成, 采用TCP/IP通信协议。接口设备采用研华PCI-1716数据采集卡。控制对象为双向转台, 具有高低向和水平向两个自由度。传感器采用陀螺仪对平台的速度信号进行测量。本论文的实验研究内容为该系统俯仰向控制系统。建立半实物仿真模型如图6。
3.2 实验结果及分析
向系统输入幅值为0.5的阶跃信号, b0=90, 如图7 (a) 、 (b) 和 (c) 所示。
图7 (d) 为b0=31.8时, 验证其参数取值对系统性能影响的系统响应。
以上实验结果表明, 适当增大β2参数, 系统响应变快。实际上, 由于Kp=β1, KD=β2, 但当参数β2[β1, β2]的取值为[0.000 5, 0.1]、[0.000 5, 0.5]和[0.000 5, 1]时系统响应分别过大时, 系统会出现抖动, 甚至不稳定情况。参数b0在一定范围内可调节。参数过小时, 系统出现振荡, 如图7 (d) 。调节b0参数在一定范围内变化, 系统未出现振荡, 参数较大时控制效果好于参数较小时。
4 结束语
本文分析了直线电机作为二轴转台俯仰向驱动器的伺服平台的有点, 以及由于自身结构特点和传感器噪声所带来的非线性因素。进而通过辨识的系统标称模型设计了自抗扰控制器的跟踪微分器、扩张状态观测器和控制率。通过构建基于RTW和x PC Target的半实物仿真系统, 分别对b0、β1和β2不同取值时进行了对比实验分析。实验结果表明自抗扰控制器将系统存在的非线性因素作为扰动考虑, 起到了很好的控制效果, 同时, x PC Target作为一种快速原型设计的方法, 便捷、高效, 大大缩短了控制器设计和开发的过程。
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