（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的永磁平面电机运动控制系统研究.pdf

摘要 随着数字控制技术的迸一步发展和平面电机在工业应用上的要求提高，传 统的使用单片机来控制电机的运动控制系统，已经不能满足对平面电机工作速 度和精度的进一步要求，迫使选用一些新的方法和新的技术来对原有的方案进 行改进。 本文设计了基于d s p 的永磁平面电机运动控制系统，这个运动控制系统的 核心是一块伺服运动控制卡。该运动控制卡是以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 为核 心芯片，实现检测反馈信号和数据处理，并通过s c i 总线接收来上位p c 机的控 制指令，实现了电流环的p i d 控制和位置环的预测控制。 根据永磁平面电机运动控制系统的特点，建立了永磁平面电机的数学模型， 分析了永磁平面电机的工作原理，描述了开放式控制系统的总体框架。重点设 计了系统的硬件组成：针对系统核心芯片的选型，设计了d s p 控制电路及其辅 助电路，包括模拟输入与输出电路、p c 机与d s p 的通讯电路、扩展r a m 电路等； 针对永磁平面电机的特点，设计了电机的功率主电路，并设计了主回路保护及 制动电路；考虑到本系统的要求，设计了检测反馈电路，实现对电流、速度和 位置的实时检测；另外，还设计了电源电路。完成了系统的软件设计，利用c 语言编写了控制系统的初始化程序和中断程序，并利用c c s 软件进行了编译。 最后，对控制算法进行了研究。依据永磁平面电机位置精度的要求，应用 了预测控制算法，通过不断在线滚动优化，将实测系统输出与预测模型输出的 误差来进行反馈校正，在一定程度上克服由于预测模型误差和某些不确定性干 扰等的影响，使系统的鲁棒性得到增强。通过m a t l a b 仿真表明，预测控制算法 具有良好的动态特性。 关键词：数字信号处理器，永磁平面电机，运动控制，预测控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di m p r o v i n go fp l a n a r m o t o ri nt h ei n d u s t r y , t r a d i t i o n a lm o t i o ns y s t e mw h i c hu s e ds i n g l e - c h i pi np l a n a r m o t o r se q u i p m e n ta l r e a d yc o u l d n tb ef i tt on e wm e e t sw h i c hw e r ei nt h ev e l o c i t ya n d p r e c i s i o n t h a tf o r c e dt om e n d i tb yu s i n gs o m en e ww a y sa n dn e wt e c h n o l o g i e s t h i sd i s s e r t a t i o ne x p o u n d e dt h em o t i o ns y s t e mo nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri n d e t a i l t h ec o r eo ft h em o t i o ns y s t e mw a ss e r v o m o t i o nc o n t r o l l e r t h i sc o n t r o l l e r s c o r ec h i pw a st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft ic o m p a n ya n dd e a l tw i t hf e e d b a c ks i g n a l t h r o u g hd e t e c t i o n t h ec o n t r o l l e rt o o ko v e rs t a t e m e n tf r o mt h ep cb ys c ib u sa n d r e a c h e dt oc o n t r o lc u r r e n tl o o pb yp i da n dp o s i t i o nl o o pt h r o u g hp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fap e r m a n e n tm a g n e tp l a n a r m o t o rw i t hf e a t u r e so fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e dp e r m a n e n tm a g n e tp l a n a r m o t o ro p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dp r o p o s e do v e r a l ld e s i g no fo p e n - s y s t e m i nt h e d i s s e r t a t i o n ，h a r d w a r ec o m p o n e n t so fs y s t e mw e r es t r e s s e d t h es y s t e mc i r c u i to f s y s t e mb yt y p e so fc h i p sw e r ec o n f o r m e d ，i n c l u d i n gd a , a d ，c o m m u n i c a t i o n b e t w e e np ca n dd s p , c i r c u i to fe x p a n d e dr a ma n ds oo n i ti d e n t i f i e dm a i nc i r c u i t o ft h ee l e c t r i c a lp o w e r , a n dp u tf o r w a r dt h em a i np r o t e c t i o nc i r c u i ta n db r a k ec i r c u i t b a s i so nc h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a n e n tm a g n e tm o t o rp l a n e t w ot y p e so fs e n s o r sa l s o w e r eu s e dt oc o n t r o lo b j e c ts i g n a lt a k i n gi n t oa c c o u n to fr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m h a l ls e n s o rw a su s e dt od e t e c tt h ee l e c t r i c a lt h r e e p h a s ec u r r e n ta n dd u a l - b a n dl a s e r i n t e r f e r o m e t e rw a su s e df o rp o s i t i o ns i g n a la c q u i s i t i o no fm o t o r i nt h ep a r to f s o f t w a r ed e s i g n ，i n i t i a l i z a t i o n p r o c e d u r e sa n di n t e r r u p tp r o c e d u r e so ft h ec o n t r o l s y s t e mw e r ep r o g r a m m e db ycl a n g u a g ea n d i tw a sc o m p i l e db yc c ss o f t w a r e c o n t r o la l g o r i t h mw a sr e s e a r c h e d b a s i so nt h ep o s i t i o n a la c c u r a c yo ft h e r e q u e s to fp e r m a n e n tm a g n e tp l a n a rm o t o r , p r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mw a sp r o p o s e d s y s t e mo u t p u tw o u l db em e a s u r e da n df o r e c a s t e dm o d e lo u t p u tf e e d b a c kt ot h ee r r o r t h r o u g hc o n t i n u o u so n l i n er o l l i n go p t i m i z a t i o n t oac e r t a i ne x t e n t ，i to v e r c o m et h e p r e d i c t i o nm o d e le r r o ra n dd i dn o tu n c e r t a i no fe f f e c t so ni n t e r f e r e n c ea n ds t r e n g l 【h e n t h er o b u s t n e s so ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o no fp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mt h r o u g h m a t l a bs o f t w a r ew a sp r o v e dt ob eag o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c n k e yw o r d s ：d s p ，p e r m a n e n t - m a g n e tp l a n a rm o t o r s ，m o t i o nc o n t r o l ，p r e d i c t i v e c o n t r o l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的目的和意义 进入信息时代的2 l 世纪，微电子技术仍然是信息产业的主要技术支撑之一。 2 0 世纪，m o s 集成电路已成为微电子产业的核心，它在向高集成度和低成本方 向发展的过程中，遵循着i n t e l 公司创始人之一g o r d o ne i o o r e 预言的发展 规律，即：集成电路的集成度每三年增长4 倍，特征尺寸每三年缩小2 倍( 摩尔 定律) 。这一预言的实现和持续，带动了光刻机等精密、超精密现代加工设备的 不断革命。 传统的二维平面定位装置由两组旋转电动机驱动的直线运动转换机构叠加 而成。由于直线运动转换机构( 一般为丝杆一螺母机构) 存在摩擦、侧隙、变形等 一系列问题，传统定位装置的精度很难达到较高的水平。此外，运动转换机构 中的两套传动链上的各运动部件的附加质量，也妨碍了定位装置的工作台运动 响应速度的提高。正因为存在上述问题，传统二维平面定位装置在光刻机等精 密、超精密现代加工设备中应用很少。 近1 0 年来，随着直线电动机技术和产品的迅速发展，直线电动机开始在二 维平面定位装置中获得应用。由于不存在传统定位装置中存在的摩擦、侧隙、 变形等影响运动精度的不利因素，直线电动机驱动的平面定位装置的精度有了 很大提高。但是，这种定位装置仍然未摆脱“低维运动机构叠加成高维运动机 构”的模式，对于底层直线电动机而言，顶层驱动电机及其相关机械连接件的 总质量，仍然是一个很大的“负担”。如果采用平面电动机来直接驱动平面定位 装置中的工作台，那么上述问题可以较好地解决。此时，平面电动机的动子与 工作台直接相连，动子将电动机的二维电磁推力直接传递给工作台。 平面电动机直接利用电磁能产生平面运动，具有出力密度高、低热耗、高 精度的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置， 可把控制对象同电机做成一体化结构，具有反应快、灵敏度高、随动性好及结 构简单等优点。 由于采用直接驱动方式，中间没有缓冲环节，系统参数摄动、负载扰动等 武汉理工大学硕士学位论文 不确定因素的影响将直接反映到直线电动机传动系统的静动态特性中，加之平 面电动机所固有的电磁耦合端非线性特性，平面电动机在两个方向上运动的耦 合以及端部效应和齿槽效应对电磁推力平稳性的影响，会损害系统的运行平稳 性和降低定位精度，因此必须采取适当的控制技术以减小这些参数变化和外部 扰动所带来的影响，使其能够应用于高速和高定位精度的场合。 d s p 为许多先进的工业自动控制系统提供了高效的实现方法，它已经被广泛 的应用于各种电机的运动控制中，比如异步交流感应电机的转差频率控制、电 压空间矢量控制、直接转矩控制；无刷直流电机的变结构控制、模糊控制，无 位置传感器控制、基于d s p 和c p l d 的步进电机控制等。 d s p 在电机控制中的应用具体表现在以下方面： 1 ) 信号处理。对系统的输入和反馈信号进行滤波处理，从而减弱了对传感 器的要求。 2 ) 控制策略的实现。d s p 能实时、高效地实现许多诸如标量、矢量、自适 应多变量、神经网络、模糊逻辑等先进控制算法。 3 ) 脉宽调制。d s p 能方便、灵活、可靠地生成多种p 删波形，。便于电机的 高效驱动，改善系统功率因数，消除谐波。 4 ) 与上位机通信。d s p 通过自带的串行外设通信模块可以与上位机通信。 电机所有的运行参数都可以上传至上位机，这样用户可以通过显示器终端来对 电机运转进行实时监控。 5 ) 故障检测与保护。d s p 对电压、电流、温度等信号进行采样，并与限定 值比较，若超标则表明发生故障，进行故障保护和显示。 采用d s p 芯片为核心控制器来构造平面电动机控制系统，系统软硬件采用 模块化设计，预留端口资源丰富，因此使用灵活，同时便于扩展和升级。在不 改变硬件的基础上，可以根据实际需要来改变参数，达到高速高精度定位的要 求。 1 2 国内外的研究现状 与其他类型电动机一样，平面电动机( p l a n a rm o t o r ) 由定子、动子和支承 等部分组成。在支承的限制和电磁推力的作用下，平面电动机的动子能够带动 负载产生两维的直线运动。 2 武汉理工大学硕士学位论文 根据电磁推力的产生原理，可将平面电动机划分为变磁阻型、永磁同步型 和感应型三类n 1 。三类电动机电磁推力的产生原理分别与同类型的旋转电动机的 电磁转矩产生原理相似，实际上，各种类型平面电动机的提出与同类型的旋转 电动机不无渊源关系。上述三类平面电动机中，感应平面电动机的研究尚处于 初级阶段，研究活动较少，且主要集中在日本。变磁阻平面电动机，经过前二、 三十年的研究和开发，目前已经有进入初步的产品化阶段。虽然这种平面电动 机具有结构简单、控制容易等优点，但是，它存在推力波动大、定位精度低、 动定子之间吸力大、磁路饱和严重、发热量大等诸多问题，因此，其应用档次 难以进一步提高。永磁同步型平面电动机( s y n c h r o n o u sp e r m a n e n t m a g n e tp l a n a r m o t o r s ，简称s p m p m ) 是近期研究和开发的热点。由于其在结构、控制精度、 损耗等方面具有良好的综合性能，它在光刻机等现代精密、超精密制造装备中 具有巨大的应用潜力，引起了国内外学术界和工程界的广泛兴趣。 早先的平面电动机主要应用于平面绘图仪中嘲，因此对平面电动机的推力、 定位精度、承载能力等性能指标要求不高。后来，人们逐渐考虑将平面电动机 应用于光刻机等精密、超精密现代加工设备中，于是，对平面电动机的各项指 标和综合性能提出了较高的要求，如运动精度、支承特性、温度场特性、推力 波动等。因此，平面电动机在精密、超精密现代加工设备的应用方面，至今还 没有成熟的产品出现。 由于平面电动机在二维平面定位装置( p o s i t i o n i n gd e v i c e ) 特别是精密二 维平面定位装置中具有广阔的应用前景，平面电动机受到了学术界和工业界的 广泛关注。近十几年来，在权威期刊和国际会议上，不时有与平面电动机相关 的文章出现，有些知名大学( 如麻省理工学院) 在平面电动机技术方面已经进行 了卓有成效的研究网。目前，国际上已经有许多涉及平面电动机及其应用的专利 公布，其中日本n i k o n 公司的美国专利就有十几项h 1 。此外，某些驱动系统公司 还推出了相关的平面电动机产品。 目前，已经有少数厂商生产了平面电动机产品。例如，日本的横河电株式 会社推出了p l a n e s e r v 系列平面电动机，其主要参数指标为：最大速度0 5 m s ； 定位精度l u r e ：最大推力1 5 0 n ：运动范围5 0 0 眦r n x5 0 0 m m ；容许回转转矩1 5 n 。 台湾上银( h i w l n ) 科技股份有限公司生产了两款混合式平面步进( 变磁阻) 电动 机，其型号分别为l m s p x l 和l m s p x 2 。它们的分辨率为l u m ，最大速度为0 9 m s 和0 8 m s ，最大推力为7 5 n 和1 4 0 n ，最大承载为1 4 k g 和2 8 k g ，最大定子尺寸为 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 0 0 m mx6 0 0 m m 。 近年来，国内的西安交通大学、华南理工大学等高校也开始了对平面电动 机的研究，有些科研院所还获得了政府研究基金的资助畸1 。随着研究工作的展开， 国内刊物上已经开始出现了一些与平面电动机相关的文章1 。但是，由于我国在 平面电动机方面的研究起步较晚，同时，受到国内精密、超精密加工设备技术 和产业落后，平面电动机研究缺乏需求推动力因素的影响，我国在平面电动机 方面的研究总体而言，力度不够，水平不高。 目前的平面电动机产品仍处于初级发展阶段，品种单一、性能较低、档次 不高的问题远远不能满足现代加工设备对平面电动机的强大需求。在未来一段 时间，随着平面电动机技术的不断完善，平面电动机产品的种类将不断增加、 型号将不断丰富、性能将不断提高、数字化程度将不断完善。 1 3 课题完成的主要任务 在现代半导体加工装备及其它微细精密加工设备中，工作台通常采用长短 行程与粗微复合主从式结构，其大行程运动由直线电机实现，而高精度运动则 由超精密平面电机实现。 半导体前道加工装备领域中，平面电机的运动精度要求达到亚微米级甚至 纳米级，仅靠提高机械部件与电气执行部件自身精度代价高昂且难以实现，须 由软件修正以提高其精度。因此，应结合具体所使用的平面电机，了解其结构 特点、工作原理及相应的控制技术，需深入分析平面电机系统特性及其影响因 素，研究相应的补偿策略与方法。解耦平面电机驱动力，补偿驱动力的非线性 及消除平面电机的垂向耦合，实现平面电机的超精密定位运动。 针对平面电动机在现代加工装备特别是精密、超精密现代加工设备中的应 用问题，研究工作主要围绕微动台设计、支承结构设计、散热结构设计、振动 隔离等方面展开。 平面电动机分析与设计的具体研究内容主要包括：永磁磁场分析、电磁力 计算、损耗分析、电磁参数计算、运动控制系统的研究等n 3 。其目的在于比较不 同设计方案的优劣、分析计算电动机的有关性能指标、优化电动机的结构参数 和电气参数等睛1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本论文的工作内容 本论文通过分析平面电动机的研究现状及其应用特点，介绍了永磁平面电 动机的结构与分类，研究了永磁平面电机的数学模型及其工作原理；比较了几 种运动控制平台，提出了永磁平面电机的总体方案。采用t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心控制器，设计了d s p 控制电路及其辅助电路、功率电路、 检测反馈电路和电源电路等；完成了基于d s p 的永磁平面电机运动控制系统的 硬件设计，利用d s p 高速的运算能力和丰富的片内外设结构，使系统反应迅速、 定位精度高，具有很好的动态性能；介绍了c c s 软件及其安装与配置，完成了 系统的软件设计。建立基于电流控制模式的平面电动机运动控制系统模型，在 传统的p i d 控制算法的基础上，提出将预测控制思想应用于对平面电动机的控 制，并进行了仿真。最后，对本文进行了总结与展望。 1 5 本章小结 本章节主要介绍了课题研究的目的和意义、国内外研究研究现状、课题研 究的任务以及本论文的工作内容。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章永磁平面电机工作原理及其数学模型 2 1 永磁平面电动机的结构与分类介绍 永磁平面电动机的电磁推力是永磁阵列产生的磁场与线圈阵列中的电流相 互作用的结果。永磁阵列和线圈阵列有两种布置方式，一种是永磁阵列固定在 动子上，线圈阵列固定在定子上，另外一种正好与此相反，永磁阵列固定在定 子上，线圈阵列固定在动子上。为方便起见，将两种方式分别称为永磁运动式 和线圈运动式。这两种方式在运行原理上没有根本的区别，只是在配件连接、 散热等问题上具有不同的特点。对于永磁运动式而言，由于线圈阵列布置于定 子上，动子上无电气连接，且不存在运动的电气连线妨碍其他零部件的布置或 工作的情况，系统可靠性得以提高。另外，电动机工作过程中线圈阵列产生的 热量也较易采取措施进行散发，图2 - 1 是永磁运动式永磁同步平面电动机的一 种结构四1 们。 动子基板永磁阵列 图2 - 1 永磁运动式永磁平面电动机 ( 一) 永磁阵列形式 与旋转式永磁电动机一样，永磁平面电动机的永磁磁场也存在磁极的空间 变化，只不过这种磁极变化是沿着平面方向展开，而不是沿着圆周方向展开。 根据与一维永磁阵列之间的关系，可以将平面电动机中使用的永磁阵列划 分为两类。其中一类永磁阵列是由多个一维永磁阵列在平面上不同区域上分布 得到，如图2 - 2 所示。这种永磁阵列对应于采用多套直线电动机“集成 方案 的平面电动机。 6 武汉理工大学硕士学位论文 s k 3 nsnsnsnn s n s n 3 k g sk 冀nsns k s k 图2 - 24 个一维永磁阵列的组合 另外一类永磁阵列由一系列具有轴对称截面形状( 正方型、圆形等) 的永磁 体以二维阵列方式排列而成。图2 3 a d 显示了它的几种主要形式( 其永磁体截 面形状均为正方型) 。图2 - 3 a 所示的永磁阵列最早由a s a k a w a 在1 9 8 6 年的专利 中提出n ，其结构特点是：各行或各列由磁化方向一致( 向上或向下) 、等间隔( 极 距) 排开的_ 组永磁体构成。在该基本结构基础上，h a z e l t o n 采取永磁体由四边 形变成六边形、阵列边缘布置“半 永磁体且阵列四角采用“四分之一 永磁 体、永磁体之间增加过渡磁体等措施，提出了其他几种变化形态h j l 。图2 - 3 b 永 磁阵列同样由a s a k a w a 提出 1 2 , 1 3 9 该永磁阵列具有稀疏排列的特点，即各永磁体 与同行或同列的两相邻永磁体之间存在宽度等于极距的间隔。针对该类型永磁 阵列，h a z e l t o n “j 4 1 5 1 和c h o n 们提出了其他几种变化形态。图2 - 3 c 所示具有最紧 密布置的特点，其上的相邻永磁体之间紧密贴合，且各永磁体的磁化方向与其 四周的永磁体的磁化方向相反。图2 3 d 所示的永磁阵列由一维h a l b a c h 永磁阵 列发展而来，与图2 3 c 的永磁阵列相比，它具有更大的磁通密度( 是图2 - 3 c 所 示永磁阵列磁通密度的万倍) 和更高的能量效率( p o w e re f f i c i e n c y ) 。 ( 二) 线圈阵列形式 线圈阵列是产生电磁力的另外一个重要部分。一般作用在动子上的两相互 垂直的电磁推力是两组线圈中的电流分别与永磁磁场相互作用的结果。为了避 免两方向电磁力之间产生复杂的耦合问题，阵列中的线圈形状、尺寸和布置方 式必须结合永磁阵列的具体形式和结构尺寸来确定。目前，结合不同的永磁阵 列形式，已经有直线形、圆形、椭圆形、正方形、菱形、六边形等不同形状的 线圈出现，且它们的布置方式多种多样。图2 4 显示了分别由正方形线圈和六 7 武汉理工大学硕士学位论文 边形线圈构成的两种线圈阵歹0 。其中，图2 - 4 b 所示的线圈阵列由6 个六边形线 圈层叠构成的一系列线圈单元呈矩阵状排列而成，其特点之一是：分别属于两 相邻线圈单元中的任意两线圈的有效边( 长边) 之间相互垂直，以产生两相互垂 直的推力。 s s s nnn s ss kn n ss s nnn ( a ) 口 口 0 口 ns nsn s nsns ns ns n snsns ns ns n ( b ) ( c )，t,d) 图2 - 3 各种形式的永磁阵列 口 口 0l 口i 口i 口id 口 口 口 a 口 口 0 - 一 0 0 _ 一 d ( a ) ( b ) 图2 - 4 两种形式的线圈阵列 2 2 永磁平面电机的工作原理介绍 永磁平面电动机电磁推力的产生原理分别与同类型的旋转电机的电磁转矩 8 武汉理工大学硕士学位论文 产生原理相似，实际上，各种类型平面电动机的提出与同类型的旋转电动机不 无渊源。 当平面电机定子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会产生气隙磁场。 不考虑由于铁芯两端开断而引起的纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布情况 与旋转电机相似，即可以看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时 间变化时，气隙磁场将按三相电流相序沿直线运动。这个原理与旋转电机原理 相似，但二者存在差异：直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移的，而不是旋 转的，因此，该磁场称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在 定子内圆表面上的线速度v 。( 称为同步速度) 是一样的。对于直线永磁同步电机 来说，永磁体的励磁磁场与行波磁场相互作用便会产生电磁推力。在这个电磁 推力的作用下，由于定子固定不动，那么动子就会沿行波磁场运动的相反方向 作直线运动，其速度为v ，。 大多数的平面电动机中，线圈布置于气隙中，气隙的厚度较大j 线圈电流 对气隙磁场影响小。因此可以忽略电动机的电枢效应，而直接利用永磁磁场自 身的分布规律及安培力定律对电动机的电磁力大小和方向进行分析计算。虽然 电动机永磁结构和线圈形状不同，但是平面电动机电磁力的分析使用的基本原 理不变。 针对具有图2 - 3 a 所示的永磁阵列和图2 - 4 b 所示的线圈阵列，参考文献 1 1 和 1 5 分析了产生x ，y 向电磁推力和z 向磁浮力所需的线圈阵列电流分布，并 且认为将不同方向电磁力所对应的电流分布叠加后，即可产生x 向或y 向电磁 推力与z 向悬浮力的复合电磁力，其原理如图2 - 5 所示。图中，2 0 2 ，2 0 3 和2 0 4 为永磁阵列中的部分永磁体，2 0 9 为图2 - 4 b 中某线圈单元1 2 根有效边( 属于6 个线圈) 的截面，它们分属于三相绕组a ，b 和c 。图中的下半部分为三种电流分 布，其中，i ：为产生z 方向电磁力所对应的电流分布，i ，为产生x 方向电磁力所 对应的电流分布，而i 。为电流分布i ：和i ，的叠加。若按i 。所显示的分布规律， 在线圈阵列通入电流，则在永磁磁场的作用下，线圈阵列即受到x 方向电磁推 力作用，又受到z 方向的电磁悬浮力的作用。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 平面电动机电磁力分析 针对具有图2 3 b 所示永磁阵列和图2 4 a 所示线圈阵列的平面电动机，参 考文献 1 8 提出了电磁推力和电磁转矩的解析表达式，即x 向或y 向的电磁推 力e - 4 i 。k , ，其中，下标1 7 为x 或y ，l 为线圈的x 向或y 向控制电流，屯为 单个线圈的磁力常数。而线圈在通入电流时，作用在线圈上的电磁力将产生相 对于定子中心轴线的电磁转矩互，其表达式乙- 1 2 l 屯。 2 3 永磁平面电机的数学模型研究 许多平面电动机可以看成是由多套直线电动机“组合 而成，通过分析可 知，具有上述结构的平面电动机的磁场运动性质与直线电动机的磁场运动性质 并没有本质的不同，即平面电动机运动磁场是多个一维平动磁场在不重叠区域 中分布的结果。 建立永磁同步平面电机的数学模型是对其进行控制和仿真的前提。为了得 到永磁平面电动机的数学模型，我们首先研究一下直线永磁平面电机的数学模 型。 首先对电机作如下假设： ( 1 ) 忽略铁芯饱和； ( 2 ) 忽略电机绕组漏感； ( 3 ) 永磁材料的电导率为零； ( 4 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 反电动势是正弦的。 仅考虑基波分量，使用d q 轴模型，永磁同步电动机的磁链方程为n 力 妒d 一厶+ 妒， ( 2 1 ) 妒g 一0 ( 2 2 ) 妒，0 f ， ( 2 3 ) 其中，妒d 、妒，、妒，分别为d 、q 轴和永磁体的磁链；l d 、l ，、 i ，分别为d 、q 轴和等效的永磁体电感及电流；对于永磁体为表面安装式的电动 机有乙- l , ，缈，、l ，、i ，为常数。 d - q 轴模型电压方程为 一r + p a d 一万- - r - - v 九 ( 2 4 ) - 墨+ p 一詈，九 ( 2 5 ) 九- 厶+ 蹦 ( 2 6 ) 九 (2-7) 其中，、为d 、q 轴动子电压，九、九为d 、q 轴动子磁链，冠为动子 电阻，为定子永磁体产生的励磁磁链，为线速度，f 为极距，p - d a t 电磁推力表达式为 c 一罟【h + ( l d - l , ) f a i ( 2 - 8 ) 电流内环采用励磁分量屯一0 的控制策略，则 c 一罢一k s ( 2 删 其中，k f 为电磁推力系数，f 为极距。 直线永磁同步电机的机械运动方程为 f e l 鼍q i k f i qi m d d v t + d v 心dz z 口f 局。疋+ 易 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 其中，y 为动子速度，d 为粘滞摩擦系数，m 为动子和动子所带动负载的总 质量，最为总阻力，e 为负载阻力，为端部效应力，s 为动子线位移。 i i 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章节对永磁平面电机的工作原理和数学模型进行了分析。依据不同的永 磁结构和线圈形状的组合，分析了平面电动机的基本工作原理，给出在d g 轴模 型下的电压方程和磁链方程。为建立平面电动机控制系统做好准备。需要注意 的是，这些分析是在作了一定的忽略条件下得出的，实际电机模型要复杂得多， 实际的运行环境也复杂得多，因此这些分析结果适用于一般场合的永磁同步电 机控制。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章永磁平面电机运动控制系统总体方案设计 3 1 运动控制平台实现方法及比较 运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器 为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成 的电气传动自动控制系统。 运动控制系统种类繁多，用途各异n 钔。 1 ) 按驱动电机的类型分：用直流电机带动生产机械的为直流传动系统；用 交流电机带动生产机械的为交流传动系统。 2 ) 按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统；以角位移或直线 位移为被控量的系统叫位置随动系统，有时也叫伺服系统。 3 ) 按控制器的类型分：以模拟电路构成的控制器叫模拟控制系统；以数字 电路构成的控制器叫数字控制系统。 另外，按照控制系统中是否有闭环，也可分为开环控制系统和闭环控制系 统；按照控制原理的不同也可分很多种。 由开环到闭环的发展是控制系统发展的必然。运动控制系统在要求成本低、 控制精度不高的场合大多运行于开环状态。对于不同的运动控制系统，闭环的 模式也就不一样。为了实现速度的控制，可以采用电流环和速度环两环结构； 为了实现位置的跟踪，应采用位置环、速度环和电流环的三环结构。 随着时代的发展，各种电动机的控制技术和微电子技术、电力电子技术的 结合正使其发展成为一门新的技术，即运动控制技术。而应用先进的控制算法， 开发全数字化的运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。 目前，运动控制系统的实现方法主要有以下几种： 1 ) 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。 2 ) 利用专用芯片实现的运动控制系统。 3 ) 用f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的运动控制系统。 4 ) 以微控制器为核心的运动控制系统。 这4 种方法各有优缺点，分别适用于不同的应用场合，下面分别进行讨论。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 一、模拟控制系统 早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件一硬接线方式构成， 这种控制系统具有以下优点： 1 ) 通过对输入信号进行实时处理，可实现系统的高速控制。 2 ) 由于采用硬接线方式可实现无限的采样频率，因此，控制器的精度较高 且具有较大的带宽。 然而，与数字系统相比，模拟系统得几个缺点也是很明显的： 1 ) 老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大。 2 ) 构成模拟系统需要的元件较多，从而增加了系统的复杂性，也使系统的 可靠性降低。 3 ) 由于采用硬接线，当系统设计完成后，升级和功能修改几乎是不可能的。 4 ) 受最终系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复 杂控制算法。 。 模拟控制系统的上述缺陷使它很难用于一些功能要求较高的场合。然而， 作为控制系统最早的一种实现方式，它仍然在早期的应用中发挥着作用；另外， 对于一些功能简单的控制系统，仍然可以采用分立元件构成。 二、利用专用芯片实现的运动控制系统 为了简化电动机模拟控制系统电路，同时保持系统的快速响应能力，一些 公司推出了专用电动机控制芯片，如t i 公司直流无刷电动机控制芯片u c c 3 6 2 6 ， u c c 2 6 2 6 等。利用专用芯片构成的运动控制系统保持了模拟控制系统的长处，具 有响应速度快、系统集成度高、使用元件少、可靠性好等优点；同时，专用控 制芯片价格便宜，进一步降低了系统成本。因此这种控制系统广泛用于电动自 行车、点钞机等精度较低、成本敏感的场合，是目前应用最广的一种运动控制 系统实现方式。 然而，受专用芯片本身的限制，这种系统的缺点也是很明显的，主要包括： 1 ) 由于已将软件算法固化在芯片内部，虽然可保证较高的系统响应速度， 但是降低了系统的灵活性，不具有扩展能力。 2 ) 受芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用芯片中所实现的算法一般 都是比较简单的。 3 ) 由于专用芯片不能进行编程，因此，很难实现系统升级。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 受本身算法限制，控制精度较低，难用于高性能、高精度的应用场合。 三、用f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的运动控制系统 由于f p g a c p l d 等可编程逻辑器件的发展，人们可以利用v h d l 等硬件开发 语言，通过软件编程实现某种运动控制算法，然后将这些算法下载到相应得可 编程逻辑器件中，从而以硬件的方式实现最终的运动控制系统。 利用可编程逻辑器件实现的运动控制系统具有以下优点： 1 ) 系统的主要功能都可在单片f p g a c p l d 器件中实现，减少了所需的元器 件个数，缩小了系统体积。 2 ) 具有较好的扩展性和可维护性。 3 ) 由于系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。 然而，这种系统实现方法的缺点也是很明显的，例如，算法越复杂，可编 程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。按照目前的制造工艺，可编程逻辑 器件的门数越多，价格就越昂贵。因此，考虑到目标系统的成本，一般使用可 编程器件实现较简单的算法，构成较简单的运动控制系统口。 四、以微控制器为核心的运动控制系统 。 以微处理器为核心构成的系统具有以下优点： 1 ) 使电路更简单。模拟电路为实现逻辑控制需要许多分立电子元件，电路 结构复杂。采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可采用软件实现。 2 ) 可实现复杂控制算法。微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快、精 度高、具有大容量的存储器，且价格低廉。 3 ) 灵活性和适应性强。如果修改控制规律，一般不必修改硬件电路，只需 对软件进行修改即可。 4 ) 无零点漂移，控制精度高。 早期使用的微处理器主要是以m c s - 5 1 ，m c s 一9 6 等为代表的8 位或1 6 位单 片机。在一些性能要求不是很高的场合，普遍采用这类微处理器作为电动机控 制器。 但是，这类微处理器一般采用冯诺依曼总线结构，处理速度有限，处理 能力也有限；另外，这类单片机的集成度较低，片上不具备运动控制系统所需 的专用外设，如p w m 产生电路等。因此，基于这类为控制器构成的电动机控制 系统仍然需要较多的元件，这增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性，也 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 难以满足运算量较大的实时信号处理的需要。 为了满足运动控制系统的需要，t i 公司推出了t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 为控制 器。d s p 采用了程序和数据分离的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水 线操作，提供优化的指令集。这些特点使其可以满足快速实现各种数字信号处 理算法；同时，t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 集成了大量的片上存储器和专用的运动控 制外设电路( p w m 产生电路、可编程死区、捕获单元等) 以及其他功能的外设电路 ( 1 6 通道a d 转换器、两个事件管理模块、c a n 控制器模块等) ，具有可编程性 好、集成度高、灵活性适应性好、升级方便等优点呦1 。 基于d s p 控制器构成的电动机控制系统，外部元件少、系统体积小、可靠 性高。另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，因此，系统升级容易、扩 展性、维护性都很好。 通过以上各种方法的对比可知，基于d s p 控制器构成的运动控制系统可满 足任意场合的需要，将是运动控制系统实现技术的发展方向。 ， 3 2 永磁平面电机运动控制系统的总体方案设计 永磁平面电机运动控制系统的基本工作原理：首先，上位p c 机通过r s 2 3 2 总线或c a n 总线向运动控制器发送一个位置指令，在经过运动控制器中的d s p 处理后，输出p 1 | m 波来控制电机的运动，并随时根据电机反馈的信息进行调整， 直到电机达到预定位置为止。 运动控制系统主要包括串口通信，信号处理模块，模拟输入输出转换模块， 扩展i o 模块等。串口通信模块主要是用于p c 机和运动控制器之间的通讯；信 号处理模块实现具体的控制算法，并将运动指令转换成控制电机的数字信号； 模拟输入输出转换模块主要是用在将控制电机的运动的电流或电压信号转换 成数字信号，以便d s p 的处理，或者将来自d s p 的数字信号转换成模拟信号； 扩展i o 模块主要用于进行外部接口扩展。永磁平面电机运动控制系统的硬件 框图乜羽，如图3 - 1 所示。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 1 永磁平面电机运动控制系统的硬件框图 永磁平面电机运动控制系统采用开放式的体系结构，使系统具有通用性， 便于系统升级。对于开放性数控系统，具有以下特点： ( 1 ) 性价比极高 由于开放式数控系统具有较强的可移植性，使其开发费用大大降低，维修 更简易，质量更可靠，性能更加完善，增强了开放式数控系统的市场竞争力。 ( 2 ) 模块化的设计 开放式数控系统中的各模块相互独立，可让用户在较大范围内根据需要配 置系统，如加工轴数等，而当系统硬件改变时，只需适当修改数控系统软件， 即可满足需求。具有更大的灵活性，更能适应市场的动态变化。 ( 3 ) 丰富友好的人机界面 用户可以在开放式环境下用不同的编程语言随心所欲地开发最适合自己用 途的人机界面，完善自己的数控系统。 ( 4 ) 支持多种操作平台 开放式结构的数控系统比以往的专用数控系统能更好地支持各种不同的操 作平台，如：w i n d o w s 9 8 ，w i n d o w s 2 0 0 0 x p ，u n i x 操作系统瞳利。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 本章小结 本章节通过对几种运动控制系统的比较，构建了以d s p 为核心的运动控制 系统。基于d s p 控制器构成的电动机控制系统，主要由控制电路、功率驱动电 路、检测反馈电路等组成，这种结构性价比高、设计简便、外部元件少、系统 体积小、可靠性高。另外，由于各种功能都能通过软件编程来实现，因此，软 件升级容易、扩展性、维护性都很好。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章平面电机运动控制系统硬件设计 永磁平面电机的性能受到结构、材料、工艺等方面的影响，在结构优化设 计的基础上，永磁平面电机能否实现期望的精度、稳定性，控制系统的硬件设 计是其关键因素之一。 永磁平面电机的位置伺服控制需要不停地将电机的实时运行状况反馈回控 制器，需要对电机的位移信号进行处理嘶1 。运算处理后，输出控制信号到功率 电路，进而控制永磁平面电机的位置。控制系统是永磁平面电机运动控制系统 的核心，其设计的好坏直接影响到系统的精度及稳定性。 由于永磁平面电机具有不稳定性，因此要求控制系统要具有很高的控制实时 性。但是永磁平面电机的非线性特性决定了运动控制系统需采用现代控制理论 或智能控制方法，其算法比较复杂。为了实现较好的实时控制，就要求核心控 制器必须具有较高的运算速度、较强的数据处理能力和一定的控制精度。同时 要求整个控制系统的模拟输入输出电路转换速度快、精度高；方便的通讯、调 试接口，且硬件电路尽可能简化、便于实现、通