（机械设计及理论专业论文）直驱电机测试平台中可控负载系统的研究.pdf

摘要 摘要 直接驱动方式消除了机械运动变换机构带来的一系列不良影响，具有长行程、低 惯量、高精度、快响应和高速度等特征，在高精度快响应的伺服系统中具有非常明显 的优势。但是直驱技术还不成熟，国内应用较少，为进行直驱伺服电机和直驱伺服系 统综合性能的测试、分析与评价并制定相关标准，需要研制直驱伺服电机与直驱伺服 系统综合性能试验平台。 试验测试平台中的负载模块作为重要的组成部分，与直驱电机的各项指标密切相 关。在温升测试、效率测定、过转矩或过电流试验，以及抗负载扰动特性等试验中， 都要求给电动机施加负载。本文以直驱电机理论为依据，完成了直驱电机测试平台的 项目规划，选取了直线电机测试平台的负载形式，介绍了直线电机测试平台中负载系 统的整体控制方案。 为使负载具有稳恒的力或力矩，本文通过分析直线电机的数学模型，设计了永磁 同步直线电机控制系统，重点对抑制负载电机的推力波动和电机驱动中逆变器的死区 补偿问题做了一些探讨。通过m a t l a b 仿真试验，对直线电机控制系统的控制性能进行 了初步的实验研究。然后在前期的研究工作及所取得的阶段性成果的基础之上，以t i 公司的定点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心设计了硬件系统，并编写了电流环系统软件。硬 件系统包括电机控制板、驱动板和电源板。软件采用c c + + 和汇编语言混合编程的方 式，根据系统设计的硬件电路及采用的控制策略，编写了相应模块化的控制系统软件， 包括电流采样、电流调节器、输出等模块。对逆变器进行死区补偿，得到s v p w m 算法 中的死区补偿脉宽，应用于电流环的控制中。 最后对所设计的负载控制系统进行了调试。给出了部分实测波形并进行了分析， 对系统中出现的问题给予解决，测试结果表明控制系统设计达到了预期效果。证明所 采用的方案和控制策略具备高精度、易控制等特点，能满足直驱电机测试的要求。 关键词：直线电机；可控负载；推力波动；死区补偿；空间矢量脉宽调制( s v p 硼) a b s t r a c t a b s t r a c t d i r e c td r i v ee l i m i n a t e sas e r i e so fa d v e r s ee f f e c t st h a tb r o u g h tb yt h em e c h a n i c a l m o v e m e n tt r a n s f o r m a t i o ni n s t i t u t i o n s ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o n gt r i p ，l o wi n e r t i a , h i g h - p r e c i s i o n ，f a s tr e s p o n s ea n dh i g h s p e e d ，i th a so b v i o u sa d v a n t a g e si ns e l v os y s t e m so f f a s tr e s p o n s ea n dh i g h p r e c i s i o n h o w e v e r , t h ed i r e c t - d r i v et e c h n o l o g yi sn o tm a t u r ei n d o m e s t i ca p p l i c a t i o n , s ow en e e dt od e v e l o pd i r e c t - d r i v es e r v em o t o ra n dd i r e c t - d r i v es e r v e s y s t e mp e r f o r m a n c ep l a t f o r mt ot e s t ，a n a l y z e ，e v a l u a t ea n di n s t i t u t er e l e v a n ts t a n d a r d s t h el o a dm o d u l ea sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ed i r e c t - d r i v et e s tp l a t f o r mi s c l o s e l yr e l a t e dt oi n d i c a t o r si nd i r e c t d r i v em o t o r t h ei m p o s i t i o no fm o t o rl o a di sn e e d e d i nt h et e s to ft e m p e r a t u r er i s e ，e f f i c i e n c yd e t e r m i n a t i o n ，t o r q u e ，o v e r - c u r r e n t ，a sw e l la s a n t i d i s t u r b a n c ec h a r a c t e r i s t i c s w ed e s i g n e dt h et e s tp r o j e c ta n dc h o s et h el o a df o r m s w e i n t r o d u c e dt h ew h o l ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ed i r e c t - d r i v em o t o rb a s e do nt h et h e o r 蜕i c a lo f t h ed i r e c t d r i v em o t o ri nt h i sp a p e r i no r d e rt oh a v eas t a b l el o a do rt o r q u e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ec o n t r o ls y s t e mo f p e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fl i n e a r m o t o ra n dd i ds o m er e s e a r c ht ok e e pt h ef o r c er i p p l ea n dc o m p e n s a t ed e a t h - t i m ei ni n v e r t e r f i n a l l y , w eu s e dm a t l a bt os i m u l a t et h ep l a na n dd i ds o m ei n i t i a le x p e r i m e n t a ls t u d yo n c o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h el i n e a rm o t o rc o n t r o ls y s t e m t h e nw ed e s i g n e dt h eh a r d w a r e s y s t e mw i t l lt i sf i x e d - p o i n td s pt m s 3 2 0 f 2 8 12a st h ec o r ea n dc o m p i l e dt h ec u r r e n tl o o p s o f t w a r eb a s e do nt h ee a r l ys t a g er e s u l t sa c h i e v e d t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e sc o n t r o l ， d r i v ea n dp o w e r w ec o m p i l e dt h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l a rc o n t r o ls o f t w a r eu s e dc c + + a n da s s e m b l yp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o l s t r a t e g i e s ，i n c l u d i n gt h ec u r r e n ts a m p l i n g , t h ec u r r e n tr e g u l a t o r , t h eo u t p u tm o d u l e ，a n ds o o n t h ed e a dc o m p e n s a t i o nw i d t hi ns v p w ma l g o r i t h mi sr e c e i v e da n da p p l i e dt ot h e c u r r e n tl o o pc o n t r 0 1 f i n a l l y , w ed e b u g g e dt h ee n t i r el o a ds y s t e m p a r to fm e a s u r e dw a v e si sg i v e na n d a n a l y z e dt os o l v et h ep r o b l e m so ft h es y s t e m ，t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e ma c h i e v e d d e s i r e dr e s u l t s i tp r o v e dt h a tt h ep r o g r a ma n dc o n t r o ls t r a t e g i e s 、析t i lh i g h - p r e c i s i o n , e a s i l y c o n t r o l l e df e a t u r e s ，c 锄m e e tt h et e s tr e q u i r e m e n t so fd i r e c t - d r i v em o t o r k e yw o r d s ：l i n e a rm o t o r , c o n t r o l l e dl o a d , f o r c er i p p l e ，d e a d - t i m ec o m p e n s a t i o n , s p a c e - v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名：壬l ，焉 o i 年1 月16e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授 权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为直驱电机测试平台可控负载 系统的研究学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的 成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成 果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字：象1 v 冬作者签字：幺1 v 抛q 年1 月l 6e l i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 电机直接驱动系统是近l o 年发展起来的一种新型进给传动方式，在各类高速、 精密加工设备上具有广泛的应用前景。传统的旋转电机+ 滚珠丝杠或者伺服电机+ 齿轮传动”传动方式，由于受自身结构的限制，在进给速度、加速度、快速定位精度等 方面很难有突破性的提高，已无法满足超高速切削、超精密加工对机床进给系统伺服 性能提出的更高要求n 1 。而解决上述问题的途径之一就是采用直接驱动技术实现“零 传动 。 直接驱动方式消除了机械运动变换机构带来的一系列不良影响，具有长行程、低 惯量、高精度、快响应和高速度等特征，在高精度快响应的伺服系统中具有非常明显 的优势，9 q 年代中期以后，直线驱动技术在超精密定位领域中得到了广泛的应用， 吸引了越来越多的研究机构和人员投入至i j 这一领域中来时1 。但是直驱技术还不成熟， 国内应用较少，为进行直驱伺服电机和直驱伺服系统综合性能的测试、分析与评价并 制定相关标准，需要研制直驱伺服电机与直驱伺服系统综合性能试验平台。 试验测试平台中的负载模块作为重要的组成部分，与直驱电机的各项指标密切相 关。在温升测试、效率测定、过转矩或过电流试验，以及抗负载扰动特性等试验中， 都要求给电动机施加负载。与传统的电机测试系统相比，直驱电机测试平台对负载的 变化更加敏感嗡。直接驱动消除了中间传动机构的弹性变形、间隙、摩擦等因素对系 统精度的影响，也使各种干扰不经过任何中间环节的衰减直接作用在电机上，这就要 求负载具有稳定的力或力矩，需要具备高精度，易控制等特点。因此，要保证测试平 台的准确可靠，除了测试过程中选取高精度的传感器，还必须根据试验要求选择合适 的负载系统，针对直驱电机负载系统的具体特点，研究更加有效的控制方法，抑制推 力波动及电流环控制中死区产生的影响。 研制直驱伺服电机、直驱伺服系统综合性能试验平台，用于直驱伺服电机和伺服 系统的测试、分析与评价，为制订相关标准提供技术支撑，可促进提高直驱产品综合 性能、可靠性、稳定性和应用水平。直驱伺服电机因高精度、高速度的性能是目前机 电设备替代传统传动驱动的重要元件，也是伺服驱动技术的发展方向。国内在直驱伺 服电机产业化方面还没有完整、系统化的测试系统和考核指标，课题的研究和应用对 于推动我国直驱伺服技术的发展有非常重要的意义。 1 2 直驱电机的特点及发展状况 数控机床直接驱动方式消除了机械运动变换机构带来的一系列不良影响，在高精 第一章绪论 度快响应的伺服系统中具有非常明显的优势，目前常用的直接驱动有：直线直接驱动 ( 直线电机) ，旋转直接驱动( 转矩电机) ，主轴直接驱动( 电主轴) 三种方式嘲。 1 2 1 直线电机的特点 所谓直线电机就是利用电磁作用原理将电能直接转换直线运动动能的设备。可以 想象把旋转电机的定子和转子沿半径剖开后展平，可以得到直线电机的初级和次级。 在实际应用中，为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变，一般要将 初级与次级制造成不同的长度。直线电机与旋转电机类似，通入三相交流电流后，也 会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个 磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁 推力，使初级和次级产生相对运动，这就是直线电机运行的基本原理h ，。 次曩 翻曩 图1 1 由旋转电机演变为直线电机的过程 现代制造技术的高速加工系统中，直线电机系统已成为标志性元件，直线电机的 特点在于能直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转伺服电机+ 滚珠丝杠一 相比具有以下优点： 1 没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，因此没有金属和金属的接触，除 了直线导轨外没有其它摩擦； 2 结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运 动的部件； 3 行程理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响； 4 可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是直线电机一 个突出的优点； 5 加速度很大，最大可达1 0 9 ； 6 运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机 械连接或转换装置的缘故； 7 精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位 2 第一章绪论 置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级； 8 维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损， 只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。 任何事物都有两面性，直线电机也有自身的缺点，主要表现在以下几点： 1 存在纵向端部效应 首先，直线电机的结构特点导致绕组在电机中的几何位置不再具有对称性，对多 相电机来说这种不对称性会造成各相参数的不对称性，从而引起电机性能的波动随1 。 另一方面，磁场在纵向端部断开并衰减，使行波磁场的基波减弱而谐波得到加强，导 致电机推力密度下降、损耗增加，而且存在较大的推力波动。直线电机中由于纵向端 部的存在而引起的各种效应称为纵向端部效应( e n de f f e c t ) ，直线电机的结构特点 决定了纵向端部效应是不可避免的口1 。 2 控制难度大 直线电机虽消除了机械传动链所带来的一些不良影响，但却增加了控制难度。因 为在电机的运行过程中负载( 如工件重量、切削力等) 的变化、系统参数摄动和各种 干扰( 如摩擦力等) ，包括端部效应都直接作用到电机上，没有任何缓冲或削弱环节， 如果控制系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降n 阳。在要求高精度微进 给的场合，要求考虑更多的摄动和扰动等不确定因素对进给运动的影响。 3 效率低 由于结构上的限制，直线电机的气隙通常比旋转电机大，加上端部效应等造成的 额外损耗，效率和功率因数均比旋转电机要低。 4 成本高 直线电机的设计、制造、材料、防护和控制系统等成本均较高，随着技术的成熟 和应用越来越广泛，直线电机的成本也将越来越低。 1 2 2 直线电机的国内外发展现状 1 8 4 5 年英国人c h a r l e sw h e a s t o n e 发明了世界上第一台直线电机，但这个直线 电机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。在随后的一个世纪里，直线电机由于 效率低、开发成本高而被长期搁置，处于停滞状态。到了二十世纪中叶，控制、电子、 材料等技术的发展，为直线电机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电机开始进 入新的发展阶段二十世纪七十年代以后，直线电机应用的领域更加广泛，如自动绘 图仪、液态金属泵( 姗d ) 、电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机、半导体生产等。 在这个时期，直线电机的应用逐步渗透到机械制造业，最先用在生产线上运送物料， 后来应用到机床上，如高频响小行程直线电机被用来推动车床横向刀架，实现非圆截 面零件的车削加工机n 1 】。 3 第章绪论 9 0 年代以后，髓着高速加1 概念的提出，直线电机开始作为进给系统出现在加 丁中心中。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优势和潜力，再次成 为各国制造业关注的焦点，直线电机作为 机械部件“转嫁”于复杂的电气控制系统， 种机电系统，将精度要求很高而又笨重的 这一思路符合现代机电技术的发展趋势。 斟12a n o r a d 公司的直线电机产品 图13s i e m e n s 公司的永磁直线电机 目前国际市场的直线电机产品种类繁多，各有特色，美国的k o l l m o r g e n 、a n o r a d 、 i n g e r s o l l 公司，日本的= 三井精机、三菱、f a n u c 公司，德国的s i e m e n s 、 n d r a m a t 公司，俄罗斯的l a p i k 公司，瑞士的e t e i ，等公司都推出了先进的直线伺服系统。a n o r a d 公司在1 9 8 8 年就推出了无刷直流直线电机，并获得美国专利，他以永磁式直线电机 为主，形成了不同结构不同功率的系列产品( 图l2 ) ，广泛应用于各种领域as i e m e n s 公司也推出了i f n l 、1 f n 3 等大中型推力永磁直线同步电机( 圈l3 ) ，适合于加工中 心进给系统的驱动。此外k o l l m o r g e n 公司和德国的i n d r a m a t 公司电推出了永磁直 线电机，并进军制造业精密运动领域”1 。 目前，国内直线电机的发展还处于实验室r 发阶段，主要研究力量是大学和科研 院所。将直线电机作为机床或加工中心进给系统研究的主要有广东工业大学、沈阳工 业大学和清华大学等几所大学。清华大学制造所于1 9 9 6 年开始研究大推力、k 行程交 流永磁直线同步电机进给单元。广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”， 主要研究和开笈“超高速电主轴”和“直线电机高速进给单元”。他们研究的足直线 感应电机，开发t g d3 型直线电机高速数控进给单元，额定进给力为2 0 0 0 n ，最高进 给速度l o o m m i n ，定位精度00 0 4 硼，行程为8 0 0 m 。沈阳工业大学开始对永磁直线同 步电机进行研究，并制造了推力为l o o n 的样机。除了样机的研制外，他们研究的另一 重点是直线电机的控制算法及伺服系统”。 国内一些公司和研究所也开始涉足机床的高速化工作。在第八届c i m t 0 3 展览会 上北京机电院高技术股份公司推出了我国第一台采用直线电机驱动的加工中心 ( v s l 2 5 0 立式加工中心) ，该机床采用t s i e m e n s 公司的1 f n l 型直线电机和8 4 0 d 数控系 统，x 、y 轴进给速度可达6 2 m m i n ，加速度可达l g ，主轴最高速1 5 0 0 0 r m i n ”。 第一章绪论 目前直线电机直接驱动技术的发展呈现以下趋势n 7 1 ： 1 部件模块化：包括初级、次级、控制器、反馈元件、导轨等部件模块化，用 户可以根据需要( 如推力、行程、精度、价格等) 自由组合； 。 2 性能系列化：由于直接驱动，不像旋转电机那样可以通过减速器的减速比、 丝杠螺距等环节调节性能，单一性能的直线电机应用范围比较窄，因此性能的系列化 更丰富； 3 结构多样化：直线电机一般直接和被驱动部件连接，为适应不同的安装要求 结构必须多样化； 4 控制数字化：直线电机的控制是直接驱动技术的一个难点，全数字控制技术 是解决这一难点的有效方案。 1 3 直线电机伺服控制系统的研究综述 伺服控制系统是直线电机设计中的另一个重点和难点。目前旋转电机的伺服控制 系统已经是很成熟的产品了，但作为一种直线电机进给系统，主要技术还局限于国外 的几家大公司，国内的研究也就是处于起步阶段，沈阳工业大学直线电机的控制算法 及伺服控制系统进行了相关的研究取得一定的成果n 引。 近年来直线电机控制方面发表的文章较多，可以说对控制的研究甚至超过了对电 机设计的研究由于直线电机伺服系统运行时直接驱动负载，这样负载的变化就直接 作用于电机；外界扰动如工件或刀具质量、切削力的变化等，也未经衰减就直接作用 于电机；电机参数的变化也直接影响着电机的正常运行；直线导轨存在摩擦力；直线 电机还存在齿槽效应和端部效应。这些因素都给直线电机的伺服控制带来困难，在控 制算法中必须针对这些扰动寻求相应的抑制或补偿方案，否则系统的稳定性很难保 证。针对高速进给系统用永磁直线同步电机的伺服控制系统，要提高其性能就要从直 线电机结构和电气控制两方面着手研究。 1 3 1 直线电机设计改进控制性能 从电机电磁结构、绕组型式、磁场形状等方面对电机进行优化设计，尽量减小推 力波动幅值，优化控制策略。由于直线电机的各种推力波动均与其结构有关，因而合 理的直线电机设计是减小推力波动的有效方法。目前在直线电机结构设汁中常用的抑 制推力波动的措施有n 明： 1 ) 斜槽( 斜磁) 技术 通过倾斜动子槽或定子永磁体，可以减小相对于p m l s m 定子的磁阻变化，从而有 效地减小齿槽推力波动。但采用这种技术能减小p 札s m 反电势中的高次谐波成分，有 利于改善正弦波p m l s m 的反电势波形，从而进一步减小p m l s m 的电磁推力波动。 5 第一章绪论 2 ) 动子结构设计 动子结构设计包括绕组几何分布设计和铁心机械结构设计两方面。对于采用稀土 永磁体的正弦波p m l s m 还可以采用气隙绕组，由于这种结构没有动子齿槽，因而不存 在齿槽波动推力。同时绕组在气隙中的一致性分布可获得良好的反电势波形，从而减 小电磁推力波动。增力h p m l s m 相数也是提高其推力平稳性的有效手段，这种方法可提 高推力波动的频率，减小推力波动的幅值。 3 ) 改进定子磁极的设计 通过合理调整磁极间的相对位置，使永磁块在定子磁极中成不对称排布，均能消 除或减小波动推力的谐波成分。然而由于p m l s m 磁路设计计算及定子永磁体结构与电 动机性能的关系比较复杂，通常运用有限元法及专用磁路优化设计软件进行电动机的 优化设计。 1 3 2 控制算法改进控制性能 直线电机伺服控制系统的设计应满足以下目的：稳态跟踪精度高、动态响应快、 抗干扰能力强、鲁棒性好。不同的直线电机及其应用的场合对控制算法也有不同的要 求，所以应根据具体情况采用合适的控制算法。目前常用的控制策略有以下三种嘲： 1 传统的控制策略 传统的控制策略如p i d 反馈控制、解耦控制等。常规p i d 控制，结构简单，能使 系统获得良好的稳态精度。，在交流伺服系统中得到了广泛的应用。 u 竺1 “下d 壁叠一ji 图1 4p i d 控制框图 其中p i d 控制算法蕴含了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，其配置几 乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电动机驱动系统中最基本的控制形式，其 应用广泛，并与其它新型控制思想结合，形成了许多有价值的控制策略。 直接驱动控制采用包括位置环、速度环和电流环在内的全闭环三环控制。各环的 闭环控制采用如公式所示的数字p i d 算法： ) = 蜂h + i if 叱净+ 乃掣 “t ) 2 现代控制方法 ” 随着科学技术的发展，对各种机械零件的加工精度要求愈来愈高，必须考虑控制 第一章绪论 对象参数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的不 确定因素，才能得到满意的控制效果。如非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、 预见控制、鲁棒控制、辨识算法。现代控制算法都有很强的针对性和复杂的算法，选 择时应结合应用场合和控制性能要求选择相应的控制策略。基于现代控制理论的自适 应控制、预见控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等现代控制策略在直线电机控制研究 中引起了很大的重视。 3 智能控制算法 从6 0 年代起，为了提高控制系统的自学习能力，人们开始注意将人工智能技术与 方法应用于控制系统。对控制对象、环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法。模 糊逻辑控制、神经网络和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。 以上的控制算法各有优缺点，常规的p i d 控制，由于参数固定，对系统参数变化 及外部扰动的鲁棒性不够理想，很容易造成大的超调和回调；滑模控制器动态跟踪性 能较好，但存在抖动问题；模糊和神经网络控制器适应能力强，但计算负荷大 2 1 o 直 线电机进给系统虽然消除了中间传动机构的弹性变形、间隙、惯量等因素对系统精度 的影响，但与此同时，也使加工时的各种干扰不经过任何中间环节的衰减而直接传到 直线电机上，加大了伺服控制的难度。如何针对直线电机端部效应推力波动的特点， 进行更有针对性的更为精确有效的控制，这方面的文献较少。而且对控制算法仿真居 多，应用于电机控制上的较少。 1 4 课题来源及本文主要研究内容 1 4 1 课题来源 课题来源于北京市重大科技计划项目：高效精密数控关键技术研究与应用( 项目 编号：d 0 7 0 1 0 4 0 0 1 5 0 0 0 0 ) 中“直驱产业化核心技术 ( 项目编号：d 0 7 0 1 0 4 0 0 1 5 0 7 0 2 ) “直驱伺服电机与直驱伺服系统综合性能试验平台的研制( 课题编号：x 1 z z 0 7 0 8 ) 课题。 本课题的研究是国内首次开展的直驱系统综合测试研究，研究成果对推进我国直 驱技术应用和国产高档数控制造装备的水平，并改变高档机床依赖进口的局面有非常 重要的意义。 1 4 2 主要研究内容 本文研究了基于交流永磁直线同步电机的伺服控制单元，主要包括硬件的选型设 计和软件控制算法的实现，并初步做了相关的验证性实验。主要内容包括： ( 1 ) 以直驱电机理论为依据，完成了直驱电机测试平台的项目规划，选取了直 7 第一章绪论 线电机测试平台的负载形式，介绍了直线电机测试平台中负载系统的整体控制方案； ( 2 ) 在直线电机的数学模型的基础上，对直线电机的控制算法进行了研究，设 计了永磁直线同步电动机控制系统，并用m a t l a b 仿真试验，分析了永磁直线同步电机 控制系统中存在的难点，对直线电动机控制系统的控制性能进行了初步的实验研究。 ( 3 ) 以t i 公司的定点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心设计了硬件系统，并编写了电流环 系统软件，编写了相应模块化的控制系统软件，包括电流采样、电流调节器、输出等 模块。对逆变器的死区进行软件补偿，得到s v p 删算法中的死区补偿脉宽，应用于电 流环的控制中； ( 4 ) 对所设计的可控负载系统进行了实验测试，给出了部分电流环实测波形并 进行了分析，对系统中出现的问题给予解决。 8 第二章直驱电机测试平台及负载系统 第二章直驱电机测试平台及负载系统 2 1 测试平台总体设计 旋转电机的试验技术已经很成熟，但是很少有专门介绍直线电机试验技术的文 献，试验研究又在直线电机技术发展中的起很大作用。由于结构和运行方式均不同于 旋转电机，因此，直线电机的试验方法也有其特殊性，需专门设计试验台和试验方法。 研制直驱伺服电机、直驱伺服系统综合性能试验平台，用于直驱伺服电机和伺服 系统的测试、分析与评价，为制订相关标准提供技术支撑，可促进提高直驱产品综合 性能、可靠性、稳定性和应用水平。研制的测试平台可为不同机械安装形式、励磁方 式的直线和力矩伺服电机、伺服系统测试提供平台环境，可对伺服电机出力、精度、 可控性等和伺服系统的信噪比、指令响应、扰动响应、应用适应能力等进行测评。同 时还应具有完善的安全防护装置，并可方便替换被测、负载装置以缩短标准产生所需 大量试验的时间。 测试平台分为直线运动型和回转运动两个，分别针对直线电机、回转力矩电机及 其伺服系统进行综合测试评价，实验台包括台体、测试电机安装部分、测试硬件、数 据采集、分析处理和评价结果输出等部分组成。可涵盖目前使用的大部分直驱电机及 伺服系统范围内的测试评价。 本文所设计的试验平台，测试项目包含电机的输出特性，如推力、速度和输出功 率；输入特性电压、电流等；过程特性，如温升、推力波动、控制精度；系统特性， 如直线伺服系统的速度环刚度和位置环刚度等乜幻。 2 1 1 直驱伺服电机试验台一直线运动型 为满足课题试验要求，计划研制的试验平台将遵从模块化设计思路，可用于多种 机械形式、励磁方式的直线伺服电机综合性能测试评价。电机试验台本身主要部分由 台座、被测模块和负载模块组成。表述如下图，在试验平台具体测试项目中会对各模 块的功能另行说明。 实验台组成说明： 台座：安装被测模块、负载模块和安全防护装置的基础。石质或铸铁座体固定在 钎入地下的螺栓上。台座留有冷却系统管路线槽和部分传感器位置，并安装防撞块、 可拆卸的透明防护罩等。台座总长预计6 米，安装3 - 5 米长直线导轨，导轨最高速度 不小于1 8 0 米分钟。 被测模块：安放被测电机。被测电机的机械形式( 平板式、套筒式、单边、双边 等) 和励磁方式( 永磁式、感应式、步进式、磁阻式等) ，均可在试验台上进行测试 9 第二章直驱电机测试平台及负载系统 评价并做到拆装方便。试验台适用的被测直线电机出力范围为5 0 0 1 0 0 0 0 牛顿，速度 范围为0 - 1 5 0 米分钟。 图2 1 直线电机测试平台组成 负载模块：以电机( 对拖) 为主要形式为测试提供力负载。根据被测电机大小不 同和具体试验要求使用可更换容量的、伺服控制的负载电机，实现稳定、可编程、宽 范围、与速度不耦合的推力负载。负载模块设计瞬态最大出力1 8 0 0 0 牛顿，1 5 0 米 分钟时最大出力1 0 0 0 0 牛顿。负载模块亦可提供机械方式的堵动或堵转。 传感器：电机位移传感器，分辨率l 微米；力传感器，精度优于满量程1 ，预 备4 套以用于不同量程范围：1 0 0 0 n 、4 0 0 0 n 、8 0 0 0 n 、2 0 0 0 0 n ：温度传感器，埋设在 电机线包附近，测量误差小于0 2 度；电流传感器，精度优于满量程1 ，预备3 套 以用于不同测量范围：2 5 h 、1 2 5 h 、2 5 0 h 。其他通用型数字示波器配高压探头等。 1 0 件 第二章直驱电机测试平台及负载系统 2 1 2 直驱伺服电机试验台一回转运动型 回转运动的直驱伺服电机一力矩电机试验台同样采取可控电机对拖的方式进行加 载。主要部分由支撑架、被测模块和负载模块组成。具体如下： 多路传感器、控制信号 图2 2 力矩电机测试平台组成 实验台组成说明： 支撑台架：安装被测模块、负载模块和安全防护装置的基础。支撑上留有冷却系统 管路线槽和部分传感器位置，并安装可拆卸的透明防护罩等。最大可安装直径6 0 0 毫米、 高4 0 0 毫米的力矩电机进行测试 被测模块：安放被测电机。试验台适用的被测力矩电机出力范围为2 0 0 - 5 0 0 0 牛米， 转速为0 - 3 0 0 转分钟。 负载模块：以电机( 对拖) 为主要形式为测试提供力负载根据被测电机大小不同 第二章直驱电机测试平台及负载系统 和具体试验要求使用可更换容量的、伺服控制的负载电机，实现稳定、可编程、宽范围、 与速度不耦合的力矩负载。负载模块设计最大出力5 0 0 0 牛米，功率2 0 千瓦； 传感器：电机位移传感器分辨率0 4 角秒；转矩传感器精度优于满量程1 ，预备2 套以用于不同测量范围：额定2 0 0 0 牛米、5 0 0 0 牛米；温度传感器埋设在电机线包附近， 测量误差小于o 2 度；电流传感器精度优于满量程1 ，预备3 套以用于不同测量范围： 2 5 a 、1 2 5 a 、2 5 0 a ；其他通用型数字示波器配高压探头等； 2 2 负载系统 与传统的电机测试系统相比，直驱电机测试平台对负载的变化更加敏感。直接驱 动消除了中间传动机构的弹性变形、间隙、摩擦等因素对系统精度的影响，也使各种 干扰不经过任何中间环节的衰减直接作用在电机上，这就要求负载具有稳定的力或力 矩，需要具备高精度，易控制等特点。 2 2 1 可控负载系统的组成 在电机测试平台中，电机测试系统的负载一般有如下几种选择方式：磁粉制动 器作负载磁滞制动器作负载电涡流测功机作负载变阻箱作负载。磁滞制动器一 般用在转速较高( 转速可高达到1 5 0 0 0 r m i n ) 、转矩较低( 转矩一般是o - i o n m ) 的场合： 磁粉制动器一般用在转速较低( 一般是1 5 0 0 一1 8 0 0 r m i n ) 转矩较高( 转矩可以高达5 万 n m ) 的场合：电涡流测功机一般用在转速2 0 0 0 _ 2 8 0 0 1 0 0 0 1 6 0 0 r m i n 的场合：变阻箱 一般用在测试精度低的场合嘲。 基于测量精度的要求，我们在直驱伺服电机与直驱伺服系统综合性能试验平台中 选用与被测电机形式相同的直驱电机对作为加载装置。我们选用的负载模块为：以电 机( 对拖) 为主要形式为测试提供力负载。整个负载系统包括：直线电机、电机驱动 器、电源。 2 2 2 加载电机详细计算及选择 考虑加载直线电机的安装固定方式的同时，还应该根据被测直线电机的性能参数， 如电机的推力、速度等对所选被测电机的规格和参数进行计算选择。根据被测电机大 小不同和具体试验要求使用可更换容量的、伺服控制的负载电机，实现稳定、可编程、 宽范围、与速度不耦合的推力负载。直线电机负载模块设计瞬态最大出力1 8 0 0 0 牛顿， 1 5 0 米分钟时最大出力1 0 0 0 0 牛顿。力矩电机负载模块设计最大出力5 0 0 0 牛米，功 率2 0 千瓦。负载模块亦可提供机械方式的堵动或堵转。 负载装置选择高推重比、小质量( 惯量) 以及高响应的直驱电机，尽量降低对被 测电机的质量( 惯量) 影响。并提出动态指标以拓宽试验的频率信息范围。负载扰 1 2 第二章直驱电机测试平台及负载系统 动电机提供被测电机最大5 0 峰值出力的动态负载扰动，并根据质量( 惯量) 、出力、 响应综合考虑分为小质量( 惯量) 高频率、高出力两类。小( 质量) 惯量高频率类负 载电机可用于测试冲击响应、动刚度试验等，设计动态频率范围d c - - 9 0 0 h z ，动子( 转 子) 质量( 惯量) 8 k g ( 0 5 6 k g - m 2 ) ，瞬态最大出力2 4 0 0 n ( 2 0 0 0 n m ) ，可在l 毫秒内 达到设计额定出力。高出力类负载电机峰值出力达到5 0 0 0 n 和2 5 0 0 n m ； 表2 1 负载直线电机型号 根据被试电机的大小，本系统选用了3 台连续、峰值推力大，波纹推力小，行程 可任意设计负载电机，电机型号及动、定子规格见表2 1 。它们分别配有测速装置， 连续推力从8 0 n 一- - , 1 0 0 0 0 n ，峰值推力从3 0 0 n - - - 2 0 0 0 0 n 。 1 3 第三章负载直线电机控制器的总体设计 第三章负载直线电机控制器的总体设计 本章设计了可控负载系统的伺服控制单元，实现全数字的伺服控制。包括分析了 直线电机的工作原理，对负载控制器的驱动模块、控制模块和电源模块的进行选型和 组建，最后对直线电机的控制算法进行分析并对推力波动补偿进行了研究，最后给出 了m a t l a b s i m u l i n k 仿真建模的方法。 3 1 直线电机的工作原理 图3 1 所示为直线永磁同步电机工作原理示意图。在直线永磁同步电机动子的三 相绕组中通入三相对称正弦电流后，会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而 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a 、b 、c 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 l ( 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( 即初级) 就会沿行波磁场运动 的相反方向作直线运动，其速度为v r 幽1 。 ；c t 1 嘲级) 气一_ - 气 图3 1 直线电机工作原理 永磁直线同步伺服电机的设计在原理上与旋转伺服电机类似，但考虑直线电机中 存在的定位力和推力波动，在永磁直线同步电机的数学模型上进行了分析考虑，同时 结合现代交流伺服驱动技术综合分析直线伺服电机的运行原理，并给出了针对永磁直 线同步电机伺服控制的总体方案。本章的主要内容是在此基础上构建高性能全数字伺 服控制单元，实现直线电机的三环控制( 包括电流环、速度环和位置环) 。 1 4 级千淡定 第三章负载直线电机控制器的总体设计 3 2 负载直线电机全数字伺服控制单元的硬件平台 作为可控负载系统的组成部分，负载直线电机的控制算法运算量大，而且在高速 加工进给系统的实际应用中实时性很强，因此对整个数控系统提出了很高的要求。要 满足这种要求，在优化控制算法的同时，还应采用高性能的硬件。在高速加工中心进 给系统中通常采用全数字驱动技术，或以j 】c 作为基本平台，d s p 实现插补和伺服控 制“1 。 适用于伺服控制系统的微机主要有微处理器、单片机和数字信号处理器。随着微 电子技术和现代控制理论的发展伺服控制系统逐渐迈向全数字化控制单元。尤其是 近几年迅速发展的含有高速数字信号处理器的控制芯片为伺服控制系统提供了高性 能的硬件平台，能够满足现代控制算法的实现和实时控制要求。数字伺服系统实验平 台以高性能d s p 板 为控制系统核心以功率逆变单元为驱动单元，以高速高精度增 量式直线光栅检测手段，其硬件功能模块主要包括以下三部分： 电机驱动模块 电机控制模块 m_ 丽_ | 吨 翻 j 7 7 r i 。 _ 1 一11 - l 1 l l _ 广 t 广 2 直电机数字伺服系统实验平台的软硬件功能模块 3 1 负载控制器的驱动模块 三相全桥整流电路和1 g b t 逆变电路：m a i n ( b s m 3 5 ) b c p l 3 1 6 j 完成交流一直流一交流的功率变换，采用p i m 完成 电压温度监测电路：b u m o n i t 第三章负载直线电机控制器的总体设计 功能：完成电网、功率模块温度的监控和能量制动单元的控制。 ( 3 ) 四路浮置电源模块包括uvw 上三路独立浮置电源和下三路浮置电源。 功能：2 4 v 变4 路浮置电源，驱动p i m ( 4 ) 接口电路：s o c k e t 功能：和控制单元相联，完成信号的输入输出。 3 2 2 负载控制器的控制模块 ( 1 ) 控制核心：d s p ，i m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 及其外设电路 功能：负责与位置环、速度环和电流环调节算法有关的信号采样和数据处理，以 及与上位机通讯和报警处理等功能。d s p 选用t i 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2