（电力电子与电力传动专业论文）全数字永磁同步直线电机伺服系统的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 补偿方案，并进行了仿真研究。仿真结果也证实了理论分析的合理性和有效性。 直线电机是控制电机，其运行性能与驱动器的控制方法和测量精度有直接关系。 电流矢量控制是直线电机控制的最先进方法，其控制原理是在永磁磁场的直轴和交轴 ( 记做砌) 平面控制电枢电流的直轴和交轴分量以产生所要求的电磁推力，因此，永磁 同步直线电动机矢量控制的实施需要先检测永磁磁场的直轴和交轴，辨识磁场的初始 相位。由于直线电机不存在旋转电机上的机械周期，所以辨识磁场的初始相位不能沿 用旋转电机的方法。论文提出了将直线电机设计、直线编码器的选择和软件检测相结 合的新方法，该方法能够实现任意位置启动并初始寻相，不怕突然停机，克服固定起 点法所存在的不足。另外，由于永磁磁场的直轴和交轴是测定的，不可避免地存在误 差( 一般用偏差角表示) 。为了减小这一误差偏差角，提高初始相位的测量精度，论 文还分析了初始寻相误差对永磁同步直线电动机的电磁推力的影响，指出磁场初始相 位的误差降低直线电机电磁推力的平均分量，提出了一种精确测量永磁磁场初始相位 的方法。该方法用软件实现，不需要增加硬件开支，能够达到很高的测量精度“ 最后介绍实现了永磁同步直线电机与永磁同步旋转电机的全数字伺服统一驱动 器一一在相同的硬件平台上，加载不同的软件，驱动不同种类的电机，并对永磁同步 直线电机样机进行了大量的实验研究，实验结果支持了理论分析，并证明了所提出方 案的正确性和先进性。 关键词宣线电并伺服亲磊7端部效应初始荨槽 解耦疆制 推力纹波 i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t a cs e r v od r i v es y s t e mi so n eo f t h ek e yp a r t so f t h en u m e f i c a u yc o n t r o l l e dm a c h i n e t o o l ( n c ) ，w h i c hp e r f o r m a n c eh a sh e a v yi m p a c to np r e c i s i o n , q u a l i t y , a n de f f i c i e n c yo f m a c h i n i n g w i t h o u ts p e c i a l m e c h a n i c a l a d j u s t m e n t s ，l i n e a r m o t o rg e tl i n e a rm o t i o n d i r e c t l y w i t han u m b e ro fb e n e f i t si n c l u d i n gh i g hs p e e d , h i g hp r e c i s i o n , f a s tr e s p o n s e ， s t i f f n e s s ，a n dz e r ob a c k l a s h e s ，l i n e a rm o t o rw i l lh a v ew i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t b a s e do na l l o v e r a l lr e v i e wo f r e l a t e dp a p e r s p u b l i s h e d a th o m ea n db o a r d ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt o t h et h e o r ya n a l y s i s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n di m p l e m e n t a t i o no ft h ef u l l yd i g i t a ll i n e a r m o t o r s y s t e m n l ed i s s e r t a t i o nt a k e sa c c o u n ti n t ot h ee n de f f e c ta n dt h ef i e l dh a r m o n i c si nt h e p e r m a n e n tm a g n e t l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r , a n d p r e s e n t e dt h eo v e r a l lm a t h e m a t i cm o d e l p m l s me x h i b i t sh i g h l y - c o u p l e d ，n o n l i n e a r , m u l t i v a r i a b l es t r u c t t n c s ，a n dv a r i a b l e p a r a m e t e r s a so p p o s e dt or o t a r ym a c h i n e s t h e r ea r et h ef o r c ef o rl e v i t a t i o na n d p r o p u l s i o n ，t h e r ea r e t h ef o r c e p r i n c i p a l a n dt h ef o r c eh a r m o n i c s ，t h ea m p l i t u d e so ft h e p r i n c i p a la n dt h e h a r m o n i c s v a r yw i t h t h em o v e r p o s i t i o n b e c a u s et h e r ea r eh i g h c o u p l i n ga c t i o n sb e t w e e n q - a x i sc u r r e n ta n dd - a x i sc u r r e n t ，a n dt h ec o u p l i n gp a r a m e t e r sa r et i m e v a r i a b l e ，i ti s i m p o s s i b l et oc o m p e n s a t ec o m p l e t e l yt h e ( i a ) a n d ( i q ) t oc o n t r o lc u r r e n ti nl i n e a rm o t o r , t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t t w ok i n d so f p a r t l yd e c o u p l i n g c o n t r o l m e t h o d s ：a v e r a g e p a r a m e t e r sd e c o u p l i n gc o n t r o li nd i f f e r e n tp a r t sa n df e e d b a c k i n gc u r r e n tc o n t r o lw i t hv a r i a b l e c o e t j f i c i e n t t h em a i nf o r c eh a r m o n i c sa r ee v e no r d e r sh a r m o n i c s s u c ha st h e2 n da n d4 t i io r d e r p a r t so f t h e ma r ep r o p o r t i o n a lt ot h ef o r c ec u r r e n t a n dt h eo t h e r p a r t so f t h e m a l es q u a r et o t h ef o r c ec u r r e n t n l ed i s s e r t a t i o np r e s e n tt h eo v e r a l lf o r c em o d e lf o rl i n e a rm o t o r , t h e n a n a l y z et h et e c h n i q u e so f s u p p r e s s i n gp u l s a t i o n , a n da p p r o v e daf a s tm e t h o d t oc o m p e n s a t e t h ef o r c eh a r m o n i c s a st h ec h a n g es t r u c t u r eo fl i n e a rm o t o r , i tc a nn o ta d o p tt h ed e t e c t i o n m e t h o do ff i e l do r i e n t a t i o ni nr o t a r ym o t o r b a s e do nt h ea n a l y s i st h ed e t e c t i o n p r o b l e mo f f i e l do r i e n t a t i o ni nt h el i n e a rm o t o r ，af u l l yn e w d e t e c t i n gw h i c hc o m b i n e sm o t o rd e s i g n w i t hs e r v oc o n t r o ls t r a t e g y c o m p a r i n gt ot h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d ，t h ep r o p o s e dm e t h o d h a sa na d v a n t a g eo f s t a r i n ge v e r y w h e r ei nt h er a i l w a y n l ee f f e c to ff i e l do r i e n t a t i o no nt h e h l 华中科技大学博士学位论文 f o r c ep r i n c i p l ei sa n a l y z e d ，t h e n , ap r e c i s i o nm e t h o di sp r e s e n t e dt oi m p r o v et h ed e t e c t i n g o f t h ef i e l do r i e n t a t i o n f i n a l l y , t h et e s te q u i p m e n tf o el i n e a rm o t o rd r i v es y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o na p p r o v et h em a t h e m a t i cm o d e la n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s t h a tp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r ee f f e c t i v ea n d v a l i d i t y k e yw o r d s ：s e r v os y s t e ml i n e a rm o t o re n de f f e c t d e c o u p l i n g c o n t r o l p u l s a t i o no f f o r c ed e t e c t i o no ff i e l do r i e n t a t i o n i v 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 本章论述课题的目的和意义，介绍数控机床对直线电机伺服系统的要求，总结直 线电机伺服系统的发展概况和发展趋势，综述国内外研究状况，指出目前存在的主要 问题，最后介绍本论文的主要工作和章节安排。 1 1 课置的目的和意义 机械制造业一直是一个国家国民经济的基础产业，它的发展直接影响着国民经济 各部门的发展和综合实力、国防实力的提高。国民经济中任何行业的发展必须依靠机 械制造业的支持。现代机械制造业的特点是多品种小批量生产方式，具有高柔性、高 效率、商精度和高质量等特点的数控机床已成为基本装备，数控机床的拥有量及年产 量已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。近年来，随着信息、计算机、自动化、 管理等技术的发展及在制造技术中的应用，又出现了以数控机床为中心的超自动加 工、超高速加工、超精密加工和超高能加工。因此，数控机床不仅是现代机械制造业 的基础设备，而且是未来先进制造技术的重要物资基础。 数控机床主要由机床主体、数控系统( c n c ) 、伺服系统和检测系统构成。伺服 系统是数控机床的驱动装置，它接收数控系统的指令，驱动机床执行机构完成指定运 动，包括加速度控制、速度控制和位置控制。伺服系统在很大程度上决定了数控机床 的性能，如最高移动速度、跟踪精度和定位精度等，因此，研究与开发高性能的伺服 系统是现代数控机床的关键技术之一。 传统机床的工作台、刀架的直线运动是“间接”获得的都是通过机械传动元件 ( 丝杠、螺母或齿轮齿条) 对伺服电动机的旋转运动转变而来的。滚珠丝杆中存在的 惯性矩，丝杆的挠性和轴承及丝杆螺母内的摩擦是限制速度的主要因素，而且诸如间 隙、转换误差和发热等问题，不可避免地增加了系统的惯量，降低传动效率、传动刚 度及造成机床内部的热偏移，制约着伺服系统性能的进一步提高；加速度主要受到丝 杆惯性矩的限制，例如当丝杆导程为目前常用的1 0 m m 一2 0 m m 时，电机扭矩约8 0 用 于加速电机和驱动丝杆，而且随着电机扭矩的增加，其惯性矩也增加；精密加工要求 伺服系统在整个驱动调节回路的动态性能上应有这样的能力：在很高的速度时以很高 的精度走过曲率半径很小的路径。这种性能要求在驱动装置的位置调节回路有很大的 速度放大系数，这个系数受到传动链机械共振频率的限制。因此，普通旋转电机伺服 华中科技大学博士学位论文 系统的进给速度和动态性能方面已达到极限。 直线电机能t 直接”获得直线运动，省去中间的变换环节，给被控对象提供直 线运动形式的推力，以获得单向或双向的有限可控位移。因此，直线伺服电动机可 以直接驱动机床工作台或刀架，省略了一切机械传动元件，具有长行程、低惯量、 离精度、快响应和高速度等特征。直线电机伺服系统和用滚珠丝杆普通伺服驱动系 统的比较如表1 1 所示，采用直线电机直接驱动可以完全消除机械传动元件的速度 和加速度的物理极限，使最大速度仅取决于电机。现在与速度极限有关的构件是直 线测量系统和导轨系统，如直线编码器的分辨率直接决定位置控制分辨率，其测量 速度决定直线电机的最大可控制速度；加速度直接由轴的总质量和电机的进给力联 合产生，与通常的驱动系统相比它与负载有更大的关系，因此可以通过运动部件的 轻型化进一步改善动态性能；即使不采取特别的结构措施，直线电机直接驱动机床 的速度，加速度和速度放大系数都大大提高，此外直接驱动取消了一切磨损件，这 将增加加工结果的可靠性和稳定性。磁性力对钢屑的吸引问题是直线电机的特有问 题，需要有效的防护系统防止切屑从工作空间进入电机空间，否则，聚积在电机缝 隙内的切屑会导致驱动装置咬死【2 j l 。 表l i直线电机伺服系统和用滚珠丝杆普通伺服驱动系统的比较 项目直线电机滚珠丝杆传动 最大速度( m m i n ) 1 2 06 0 最大加速度( g ) 1 00 5 速度放大系数 2 0 3 05 ( r r d m i n ) m m ) 通过多个电机的连接几乎没有 进给力限制，单台电机最大进给力可通过减速可以达到非常高 达1 2 k n 冷却系统一定需要高速移动时丝杆需要冷却 磨损小大 驱动元件数量少多 维护方便性好中等 利用率高达9 9 机械防护难于实现，可以电子 碰撞防护可以机械防护 防护 对铁磁性切屑的敏感性高低 华中科技大学博士学位论文 直线电机伺服系统越来越成为现代高速加工中心的首选。但由于其结构的特殊 性，需要采取特别的控制方法和技术提高控制性能。目前，直线测量系统和驱动控制 器是导致直线电机伺服系统成本增加的主要因素。 直线电机伺服控制系统包括电流控制、速度控制、加速度控制和位置控制，其中 电流控制器位于内环，其性能对直线电机伺服系统的整体控制性能有极其重要的影 响，是伺服控制系统的关键。电流控制就是在磁场的d q 坐标系晦控制电枢电流跟踪 给定的电流，因此，直线电机伺服控制系统首先要辨识磁场的初始相位。由于直线电 机不存在旋转电机上的机械周期，所以辨识磁场的初始相位不能沿用旋转电机的方 法，在直线电机伺服控制系统的硬件或软件设计上必须采取特别措施。 直线电机由于磁场开路和绕组结构的不对称，存在端部效应，使直线电机的数学模 型更加复杂，既有电磁推力又有电磁吸引力，既有正序电流分量又有负序和零序分量， 既有平均电磁推力又有谐波分量。与旋转电机相比，直线电机的d 轴q 轴坐标系具有更 强的耦合性。因此，直线电机伺服控制系统需要采取解耦控制策略，和纹波抑制技术。 在满足直线电机伺服系统控制要求的同时，不增加硬件开支，实现直线电机伺服 系统与旋转电机伺服系统的统一驱动，即采用相同的系统硬件，不同的控制软件驱动 不同种类的电机，对于满足用户的多种需求，增强控制系统的柔性，提高产品的竞争 力，降低成本，扩大产品适用范围有着积极的作用。 本课题来源于研究生研究项目“全数字化直线电动机伺服系统研究”。课题的研 究紧密结合生产实际的需要，从系统模型、软硬件设计和控制策略等方面，进行了理 论研究和工程实践，力求理论与实际相结合，紧扣实用化目标，对直线电机伺服系统 的数字化控制、初始寻相、端部效应和推力纹波的机理进行了较深入的研究，提出了 一些工程上易实现的技术。本文的研究对进一步提高直线电机伺服系统的性能具有重 要的理论和实际意义。 本课题的主要任务是研究永磁同步直线电机伺服控制过程中所遇到的问题，寻求 可行的解决办法。同时开发永磁同步直线电机伺服控制软件，实现永磁同步直线电机 和永磁同步旋转电机的统一驱动器相同的硬件平台，加载不同的软件，驱动多种 电机。促进我国数控产业从引进国外一般产品生产技术转向自主生产高性能产品，从 经济型数控转向高档数控系统发展。 1 2 数控机床对直接驱动直线电机及伺服驱动系统的要求 超高速加工技术和精密制造技术是近十几年来在美国、日本和德国等工业发达国 3 华中科技大学博士学位论文 家迅速崛起的先进制造技术，能极大地提高生产效率和改善零件的加工质量，被誉为 面向二十世纪的高新技术。它除了要求数控机床具有超高速精密主轴驱动系统外，还 要求具有一个反应灵敏、高速轻便的伺服驱动系统。具体表现为高推力和高响应特点。 高速度、高精度和大位移驱动的机床加工场合要求伺服驱动部件具有较大的工作 推力和精确的进给当量，如高性能数控机床和加工中心，以及并联( 杆机构) 机床等， 要求系统具有快速的移动速度( 快移速度2l o o i i l r n i n ，切削进给速度6 0 n 删n ，加速 度2 9 ) 和极高的快速定位精度。在磨削加工过程中，惯量会引起迸给轴换向滞后( 约 4 0 m s ) ，高推力的直线电机将减小换向滞后，进一步提高磨削加工精度。 高速往返、小位移和小推力的精密机床和加工系统要求伺服驱动部件具有较高的 往返频率和快速的动态响应指标。如电火花、活塞型面加工机床和激光加工机床等， 要求系统具有快速的加减速( 加速度2 9 ) 和极高的频率响应特性( 1 0 0 h z ) 。其中 中凸变椭圆活塞等非圆截面的高精n i ，在工件高速旋转时，要求刀具在横向上做小 幅度高频往返进给运动。激光加工机床中的三维振镜扫描动态聚焦系统，在激光光束 作快速扫描运动的同时，要求z 轴透镜做小位移快速往返运动以实现动态聚焦。 1 3 直线电机伺服系统的发展概况和发展趋势 如图i 1 所示，直线电机伺服系统包括直线电机和伺服驱动器，其发展紧密地与 直线电动机和伺服驱动器的发展相联系着。 ， 伺服驱动器 ； 图1 1 直线电机伺服系统 1 3 1 直线电机的发展概况和发展趋势 在许多实际应用领域，被控对象的运动路径往往是直线形式。非常遗憾的是，过 去由于直线运动驱动器没有得到充分的开发，长期以来不得不借助于旋转电机的旋转 运动，再加上机械变换环节而获得最终的直线运动。 华中科技大学博士学位论文 世界上出现旋转电动机后不久，就出现了直线电动机的雏形。据报到， w h e a t s t o n e 于1 8 4 5 年最早提出了直线电动机的方案。这种直线电动机由于气隙过大 而“效率很低，结果未获得成功。 根据图1 2 所示有关美国直线电动机专利的年度公布件数的变化，直线电动机的 发展历史可分为以下四个阶段【l j 。 一 | | | ! 【_ i | l mj | | | fi 图1 2 从美国专利上看直线电动机的发展历史 1 ) 孕育阶段( 1 8 8 6 1 9 2 9 ) 在这个阶段，n t e s l a 发明了一系列运动电磁场方藏的技术，以此为契机开始了 对直线电动机的研究工作。值得注意的是，在这称为孕育阶段的时期内，不仅发表了 直线电动机的驱动原理，并且进行了各种应用方面的研究。如想用直线电动机来推动 织布机上的梭子，或作为推动列车的动力，但均未获得成功。 2 ) 实验阶段( 1 9 3 0 1 9 4 0 ) 这个时期，直线电动机重新受到重视，一度出现了直线电动机热。但后来这种直 线电动机热也逐渐冷了下来，专利件数的逐年减少说明了这个问题。其原因是旋转电 动机与直线电动机的相互竞争中在成本和效率方面直线电动机没有能够战胜旋转电 动机。换句话说，一方面直线电动机未能找到唯独它能解决问题的领域，另一方面壹 线电动机在设计上没有取得应有的成果。 华中科技大学博士学位论文 在这个阶段即将结束时，美国西屋公司发生了著名的电牵引机( e l e c t r o p u l t ) 失 败事件。失败的原因首先是其相关技术尚不完善，其次是没有能够充分发挥直线电动 机的特性。但是，西屋公司在实际应用方面的尝试给后来人提供了宝贵教训，就这 点来看它还是具有深远意义的。 3 ) 开发阶段( 1 9 4 5 1 9 6 9 ) 在这个阶段，特别是1 9 5 5 年以来，迎来了技术革新的时期，重新估价以前被舍 弃的技术。这个时期可以说是直线电动机的“文艺复兴时期”，特别是控制技术和材 料技术的惊人发展，更加助长了这种势头。这个时期申请专利的件数也开始急速增加， 真线电动机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。这种增长一方面靠 赢线电动机作为可控制的直线运动发生装置而受到广泛重视，另一方面由于电磁型， 动圈型直线电动机经过多年的技术储备已能满足当时的需要。英国的e l a i t h w a i t e 曾 强调直线电动机的基础研究，在以e l a i t h w a i t e 为首的一些人的努力下取得了不少研 究成果。直线感应电动机又再一次受到世界各国的重视。尤其是日本新干线( 铁路) 技术的成功给日益萧条的日本铁路事业带来了新的生机。这又导致重新评价铁路事 业，重视直线感应电动机所具有的无接触驱动特性。使直线感应电动机在低噪声高速 铁路上得到广泛的应用。 到了1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，开始出现了一些应 用直线电动机的实用机械。例如m h d 泵，自动绘图仪，磁头定位驱动装置，电唱机， 缝纫机，空气压缩机，输送装置等都是这方面的例子。 4 ) 实用阶段( 1 9 7 0 至今) 从1 9 7 0 年开始，直线电动机终于进入了独立应用的时代。几经沉浮后，直线电机 不再与旋转电动机直接对抗，而是在旋转电动机无能为力的地方寻找自己的出路。例 如在核动力的发展过程中，需要抽吸钠钾混合物之类的液态金属，产生了作为输送和 搅拌液态金属的直线电动机电磁泵。随着超高速运输系统的发展，直线电动机应用于 磁浮列车。 早期的直线电机的控制简单，通常只是开关控制，不能满足应用需要，制约了直 线电机的发展：交流电机控制理论和电力电予技术的发展为直线电机取得控制性能奠 定了基础。在这种情况下，直线电机不再与旋转电动机相竞争，而以直线电机控制系 统的形式出现，走自己的发展道路，从目前的发展趋势来看，有可能形成巨大的“直 线运动工业”。 直线电机直接驱动控制推广应用的主要障碍是成本高，般比用滚珠丝杆进给的 华中科技大学博士学位论文 系统贵3 0 。这是因为下列原因造成的。整个直线电机导轨都需要铺设永磁体；速度 或位置闭环控制时，在直线电机导轨上需要安装直线编码器，同时直线电机驱动系统 的高频带也要求编码器具有比较高的频带。但是，采用直线电机直接驱动后，机械结 构的简化，装配时间的缩短和较高的运行可靠性会带来费用的节省。例如机房越来越 小，维护保养费用更低，占地空间更小。其次，随着整个生产流程的优化，例如操作 器械和上料装置的改进，以及与高速切削的协调，造成运行和使用成本的下降，及效 率的增加。就像b w m 公司所证实的那样，高的利用率和高的速度还会带来受欢迎的 额外效果。总之，批量越大，要求的定位运动越多，工艺上可能的进给速度越高以及 需要加速的次数越多，就越值得采用直线电机机床。有关专家认为，从长远来看，所 有机床中约有一半在技术和经济性方面采用直接驱动技术是值得的。 目前，直线电机直接驱动的应用范围正在拓宽，具有极大的市场潜力。高推力、 大位移直线电机的典型应用行业包括： 1 ) 高速、高精度和大位移机床：车床、刨床、冲床、铣床、磨床、加工中心和 并联( 杆机构) 机床等； 2 ) 冲压机械、传输机械、冶金机械和纺织机械等； 3 ) 其它：飞行模拟器、弹射器、加速滑轨和磁悬浮列车等。 高响应、小位移直线电机的典型应用行业包括： 1 ) 往返频率高、位移小、推力不高的各类精密机床：非圆截面加工机床、电火 花成型加工机床等； 2 ) 三维振镜扫描动态聚焦系统：快速成型、图像传递、光电医疗、激光加工设 备等： 3 ) 电子工业：插件机、线路板检测和钻孔等； 4 ) 半导体行业：芯片加工、切片、连线、离子注入、光刻和芯片检验等； 5 ) 计算机外围设备：x y 绘图仪、高速打印机、数控坐标测量仪和软盘驱动设 备等。 1 3 2 伺服驱动器的发展概况和发展趋势 伺服驱动器包括功率部分、控制部分和检测部分，其发展主要依赖于微处理器件、 电力电子器件、检测元件和控制理论发展。 1 ) 电力电子器件的发展使驱动器硬件集成化。电力电子器件是组成大功率电子 装鼹的核心，对整个装置的性能，体积，质量和价格都有很大的影响。应用大规模集 成电路技术，把伺服系统中某些相对固定地控制电路，集成化为若干个专用i c 芯片， 1 华中科技大学博士学位论文 例如新一代的智能功率模块( i p m ) ，它集功率器件i g b t 、驱动电路、检测电路和保 护电路于一体，实现过流，断路，过热，欠压保护，模块包含三相桥逆变器、使装置 体积减小，可靠性提高，成本降低。 2 ) 微处理器的发展使驱动器实现交流化、数字化、软件化和智能化，把伺服驱 动器推向数字化发展的新阶段，使伺服系统控制器的实现手段发生了根本新变化。从 8 0 年代开始，微处理器的集成度、性能和运算速度一直在不断提高。9 0 年代以来， d s p 开始在交流伺服系统中应用，其最大特点是运算速度快，比目前1 6 、3 2 位微处 理器和单片机的运算速度至少快一个数量级，d s p 这种高运算处理熊力能够满足电流 环实时控制的高要求，并且可以采用先进的控制策略，获得更高的控制性能，更完善 的功能。 图1 3 为伺服系统的基本结构，主要包含位置、速度、电流控制回路，d s p 使伺 服系统各个控制回路均由数字电路组成，即系统的所有控制调节全部由软件完成，最 后直接输出逻辑电平型的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器对伺服电动机进 行电压控制，完成位置伺服控制任务。全数字式使系统获得高精度，高可靠性，并增 加了系统的功能。全数字式的突出特点是使控制系统软件化，即实现软件伺服，它具 有极好的柔性功能，在硬件相同的情况下，通过改变软件，实现多种不同的控制功能， 甚至不同种类的伺服电动机也能用相同的硬件，通过不同软件进行控制，实现统一驱 动器。全数字伺服系统具有下列优点： 位置 指令 图1 3 伺服系统的基本结构 ( 1 ) 数字电路不存在温度漂移，稳定性好，易标准化：( 2 ) 伺服系统调整方便， 用数字设定各种参数，运算精度仅受字长的限制，其线性及重复性高：( 3 ) 各轴增益 一致性好；( 4 ) 伺服系统与上位机的信息双向传递能力大大加强；( 5 ) 软件控制具有 很大的灵活性，可以方便地增加、修改或删减软件模块，适应多种需要；( 6 ) 能采用 现代控制理论与方法；( 7 ) 改善系统的性能；( 8 ) 提高了信息存储、监控、诊断、调 整以及分级控制的能力，使系统趋于多功能化和智能化。 b 华中科技大学博士学位论文 3 ) 检测元件。任何一个闭环系统都必须有检测元件，以便检测被控对象的瞬时 精确信息，再与命令信息作比较进行误差校正或供给反馈校正。在伺服系统中，这些 信患包括电流、速度与位置的瞬时检测值。伺服系统的电流、速度与位置检测精确度 决定着系统的精度及其性能。对这些传感器的主要要求：工作可靠、抗干扰性强、使 用维护方便、适应工作环境、满足测量精度和响应速度的要求、成本低。 电流传感器是为了准确获取电流的反馈信号，并且实现主回路与控制回路互相隔 离。交流电流传感器，使用简单、方便、价格便宜，但不能用于有续流二极管以及含 有直流分量的电流中：精密电阻加隔离放大器构成电流传感器，其测量精度主要取决 于隔离放大器的精度，响应速度也由隔离放大器确定，由于测量电阻存在发热问题， 一般只用于小容量的伺服系统中；目前使用最广泛的电流传感器是霍尔零磁通补偿电 流传感器，具有d c 至1 0 0 k h z 工作频率范围，良好的隔离性能和抗干扰能力，具有 1 的测量精度，是伺服系统首选的电流检测元件。 位置传感器检测动子瞬时位置信号，该信号一方面参与电流环的运算，实现对电 流的换算和电流波形的控制，另一方面也作为速度环和位置环的反馈信号。位置传感 器有光电编码器、磁性编码器、旋转变压器和测速发电机。光电编码器具有处理电路 简单，噪声容限大，高分辨率的优点，是伺服系统酋选的位置检测元件。 1 4 国内外直线电机伺服系统的状况 目前，直线电机及其驱动器的生产技术和应用技术在工业发达国家正处于发展阶 段，并作为一种崭新的进给方式呈现出极大的生命力，西方国家已有十多个著名的公 司生产不同种类和型号的直线电机及驱动器。 美国a n o r a d 公司是世界上最大的直线电机供应商之一，从二十世纪八十年代初 开始研制直线电机，主导产品是正弦波永磁交流直线电机和方波无刷直流直线电机， 其应用的典型实例是二十世纪九十年代为美国i n g e r s o l l 铣床公司生产的高速卧式加 工中心h v m 8 0 0 和x 、y 、z 轴均采用永磁式同步直线伺服电动机驱动的h v m 6 0 0 。 其最大进给速度为7 6 2 m m i n ，加速度为1 一1 5 9 。这轰动了当时的国际机床界，被誉 为世界机床技术的新高峰f 2 1 。 美国的k o l l m o r g e n 公司是世界上著名的工业运动控制厂家，其提供的永磁式直 线伺服电机有两大类型。一种是动子无铁心结构，具有极高的动态性能，在速度低于 6 0 l lm m i n 时仍然能平滑运动。另种是动子有铁心结构，可获得高达8 0 0 0 n 推力。 由于永磁体采用了模块化设计，定子的长度可根据用户需要加长，可达到1 0 0 0 m m 以 9 华中科技大学博士学位论文 上，最高速度可达3 0 0 r e r a i n 。 日本三井精机公司生产的高速工具磨床，采用直线电机驱动z 轴，其上下移动 的频率可达4 0 0 次m i n ( 行程为2 5 r a m ) ，最高加速度为2 3 9 。 日本s o d i c k 公司将直线电机应用于电火花机床，推出了装配直线电机的a q 系 列电火花成形机和线切割机。可在o 0 0 0 1 m m 的控制当量的条件下将轴的运动速度提 高到3 6 m r a i n ，最大加速度达到1 2 9 。这样的技术指标使新一代的电火花成形机兼具 了高速度和精加工的综合条件，使电火花成形加工的性能有了较大的提高，在电加工 界引起了很大反响。 德国的s i e m e n s 公司的永磁式直线同步电机最大移动速度可达2 0 0 m m i n ，最大 推力可达6 6 0 0 n ，最大位移5 0 4 m m ，适用于高速铣床、曲轴车床、超精密车床、磨床、 激光车床等。 直线电机直接驱动的飞速发展使一些不生产直线电机控制系统和驱动装置的厂 家与电机制造厂进行合作，开发生产直线电机配套系统的驱动装置。例如f a n u c 公司 和美国电机制造厂a n o a r dh l c 之间的合作关系。另外一些公司，如美国a n o r a d 公司 和德国s i e m e n s 公司合作，他们专门定义了c n c 和伺服系统与直线电机的性能和接 口特性。德国i n d r a m a t 公司在其数字化智能直线电机伺服驱动器中引进了先进的国际 化、开放式s e r c o s ( s e r i a lr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 接口标准，使得位置 闭环控制在驱动器内部完成【4 】。 总的来说，作为高速加工中心的新代的直线电机伺服技术，在国外已进入工业 应用阶段。但国内直线电机的研究和应用尚处于起步阶段，大多数研究停留在仿真和 试验阶段，试验数据非常有限，缺乏对比资料和生产经验，与国外相比差距很大【5 6 1 1 7 1 。 由于关键的直线电机伺服技术主要掌握在少数直线电机和伺服控制装置制造商手中， 并视为商业机密，技术封锁和技术保密使能够查阅的资料少之又少【叭。因此，要发展 我国的高速加工中心和高速运输，建立相关产业，就必须走自己研究开发的道路。 1 5 存在的主要问题 从现有的文献和产品中可以看出，理论研究与实际应用方面尚有若干问题有待解 决，主要表现在以下几个方面： 1 ) 磁场的初始寻相问题。直线电机伺服控制系统首先要辨识磁场的初始相位。 由于直线电机不存在旋转电机上的机械周期，所以辨识磁场的初始相位不能沿用旋转 电机的方法。辨识直线电机磁场的参数相位，并且提高其辨识精度是直线电机伺服控 1 0 华中科技大学博士学位论文 制系统的首要问题。 2 ) 直线电机端部效应问题。端部效应是直线电机的特有问题，其理论分析并不 完善，文献【9 】【1 0 】是关于异步直线电机端部效应的电磁理论分析，目前考虑端部效应 影响的电机参数都是用有限元方法计算【l i 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】。极少的控制研究也是集中在提 高单位电流的出力方面【i6 】【。另外，端部效应引起三相绕组参数不对称，传统的方法 是外加三相对称电压时，将不对称的系统分解成三个对称的系统：正序、负序和零序， 然后再合成。当系统采用电流控制时，传统的对称分量法已不适用，需要建立包括端 部效应的直线电机的数学模型。 3 ) 推力纹波问题。不完全正弦的感应电势、齿槽效应、端部效应、控制方法和 时间延迟产生的电流谐波等引起推力纹波。它们是影响伺服系统的低速性能的主要因 素之因此需要研究其计算方法和补偿方法； 4 ) 实用化问题。目前的新型控制方法的研究大部分停留在理论上，而且许多控 制算法复杂，需要许多电机参数，应用到产品极少，急需研究一些有效的、简化的实 用控审0 方法： 1 6 本文主要研究内容和各章节安排 具体研究内容如下： 本论文在现有研究成果的基础上，针对目前直线电机伺服控制系统中存在地问 题，做了深入的研究。主要研究内容包括：建立考虑端部效应的永磁同步直线电机模 型；研究直线电机数字化电流控制技术：研究直线电机磁场初始相位的辨识方法，并 提出了将直线电机设计和控制相结合的辨识方法和提高辨识精度的优化方法：分析直 线电机的推力纹波及其纹波抑制技术：实现了永磁同步直线电机与永磁同步旋转电机 的统一驱动器( u n i d r i v e ) 。各章节的主要内容如下： 第1 章论述课题的目的和意义，介绍数控机床对直接驱动直线电机的要求，总结 直接驱动直线电机的发展概况和发展趋势，综述国内外研究状况，指出目前存在的主 要问题，最后介绍本论文的主要工作和章节安排。 第2 章介绍了直线电动机的结构、分类和基本工作原理，总结直线电机的特点。 第3 章建立了包括端部效应和磁场谐波时，永磁同步直线电机的数学模型，并分 析了矢量控制时永磁同步直线电机的推力机理。模型中的磁链和电压方程说明直线电 机具有强祸合的特点，控制上需要采取解耦措施。模型中的电磁力方程说明直线电机 比旋转电机含有更多的偶次谐波( 一般旋转电机的主要谐波是六次谐波) 。后面的实 华中科技大学博士学位论文 验结果也证实了理论分析的合理性。 第4 章研究永磁同步直线电机电流矢量解耦控制及p w m 实时技术，针对永磁同 步直线电机强耦合、变参数的特点，提出分段平均解耦控制。介绍了容易实施的变增 益电流反馈跟踪控制。 第5 章首先分析了永磁同步直线电动机初始寻相所存在的问题，然后提出一种改 进的方法，这种方法能够实现动子任意位置的启动和初始寻相。最后，分析了初始寻 相误差对永磁同步直线电动机的电磁推力的影响，并提出了一种精确测量永磁磁场初 始相位的方法。 第6 章建立了包括电磁推力纹波的永磁同步直线电机模型，分析总结了目前削弱 推力或力矩纹波的各种方法及特点，提出了适用于一般直线电机，能够快速补偿电磁 推力纹波的补偿方案，将所提出的方法用于样机，仿真结果证明了所提出方法的有效 性。 第7 章介绍以d s p 和f p g a 为核心的直线电机全数字交流伺服驱动器的硬件和 软件，详细说明了驱动器的控制电路、功率逆变器电路和控制软件的结构与功能，并 列出各程序的框图。 第8 章介绍全数字真线电机伺服系统的实验装置和实验研究，通过对实验结果的 分析，验证了理论分析的合理性和控制方案的有效性，为直线电机的设计和控制提供 了有益的参考。 第9 章对全文进行总结，并指出有待进步开展的工作。 1 2 华中科技大学博士学位论文 2 直线电机 本章介绍了直线电动机的结构、分类和基本工作原理，总结直线电机的特点。 2 1 引言 所谓直线电动机( l m e a rm o t o r ) 就是将旋转电动机的定子和转子以及气隙展开 成直线状，使电能直接转换成直线机械运动的种推力装置的总称【l 】。 直线电动机的结构不同，其发展和应用也不相同。由于结构的变化，直线电机有 许多特有的现象和问题。本章介绍了直线电动机的分类、基本结构和工作原理，总结 了直线电机的特点。 2 2 直线电动机的分类和应用 原则上说，每一种旋转电机都有与之相对应的直线电机。但是，直线电机有两个 互相垂直的力：一个是与电机移动方向相同；一个是垂直。垂直力可以是吸引力，也 可以是推斥力。主要用来作为悬浮的，即合成垂直力使次级( 或初级) 悬浮在初级( 或 次级) 上的电机，叫做悬浮电机。而主要产生推力的电机，叫做直线电机。并且直线 电机几乎都是作为电动机运行，而不用作发电机。 直线电动机的分类方法有许多种，表2 1 列出了直线电动机分别按工作的电流和 原理，动子和静子的结构的分类。 表2 - l 直线电动机的分类 名称结构 直线直流电动机平板形( 单边式，双边式) 、圆筒形 直线感应电动机平板形( 单边式，双边式) 、圆筒形 直线同步电动机平板形( 单边式，双边式) 、圆筒形 直线脉冲电动机平板形( 单边式，双边式) 、圆筒形 直线振动驱动机圆筒形，方形 壹线直流螺线管圆筒形 m h d 泵管形 直线混合式电动机圆筒形，弧形 在上述众多的直线电动机中，人们真正感兴趣的是感应式直线电机和永磁同步直 线电机。 1 ) 感应式直线电机 华中科技大学博士学位论文 它可视为将旋转式感应式电动机的定子沿径向切开并将其拉直，且用一导电金属 板代替转子。感应式直线电动机有平板形和圆筒形两种结构。直线行程小于0 。5 m 的 场合，一般倾向于采用圆筒形。行程较长的感应式直线电动机通常采用平板形。平板 形又分为单边式和双边式，次级通常都为笼型。由于实际中很少遇到l o r e 以上的长行 程，所以一般将具有三相绕组的初级作为动子，次级鼠笼作为定子，两者之间大约有 l m m 的气隙。 2 ) 永磁同步直线电机 直线同步电动机也有平板形和圆筒形两种结构。通常将具有三相绕组的初级做成 动予，次级的永磁体作为静子，借助于支撑系统，动子和静子之间保持恒定的气隙。 用于推力或位置控制的平板形直线电动机，其运行行程可达3 m 以上。 两种直线电动机的主要特性比较见表2 2 。这两种直线电动机由于结构的不同， 其发展和应用也不相同。 由于对感应式直线电动机的研究较早，其结构简单，坚固耐用，适应性强，成本 低，所以率先在各个领域获得应用。但是前一时期大多数的应用都是将感应式直线电 动机作为动力转换装置而使用的，控制性能简单，控制精度要求低，控制器通常由开 关和简单的模拟调速构成。 表2 - 2 两种直线电动机性能对比 电动机类型永磁同步直线电动机感应式直线电动机 单位面积电磁推力大小 效率高低 磁极位置传感器要不要 可控性好较差 进给平稳性好较好 动力制动可能尚无 对气隙调整的要求低高 尘埃防护难易 磁吸力常量变量 安装时的磁吸力大小 随着高性能永磁材料的发展和价格的降低，永磁同步直线电机在许多小功率设 备中得到了广泛的应用，主要是在各种设备中作为伺服驱动和精度较高的定位控制。 这是由于其具有以下优势：( 1 ) 高效率。因为没有励磁电流流过，铜耗降低：( 2 ) 1 4 华中科技大学博士学位论文 高可靠性。因为无