直线电机伺服控制技术研究

第５２卷　第１期　

２Ｏｌ３年１月　厦门大学学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖｏ１．５２　ＮＯ．１　

Ｊａｎ．２ｏｌ３　

永磁同步直线电机速度控制系统的研究　

王春梅，洪永强　，褚旭阳，李　钷　

（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）　

摘要：针对永磁同步直线电机，介绍了其数学模型，建立了永磁同步直线电机闭环控制系统，分析了各种控制方法在直　

线电机控制系统的优缺点．通过分析比较，得出永磁同步直线电机调速系统中基于饱和函数的模糊滑模控制系统具有很　强的鲁棒性，可以有效地削弱抖振，系统动静态性能良好．　

关键词：永磁同步直线电机；模糊滑模控制；ＭＡＴＬＡＢ仿真　

中图分类号：ＴＭ　３０１．２　文献标志码：Ａ　文章编号：０４３８—０４７９（２０１３）０１—００４８—０５　

近年来，直线电机技术得到越来越多的企业和专家　

的关注，其应用场合越来越多．与旋转电机相比，直线电　

机有着显著的优点：结构简单、反应速度快、灵敏度高、随　

动性好、密封性好、不怕污染、适应性强、有精密定位和自　

锁的能力．但是，由于直线电机结构本身存在着非线性和　

不确定性的缺点，其控制器设计很难达到高精度、快速响　

应的要求．本文针对直线电机的这一特点，设计了基于饱　

和函数的滑模控制的速度控制系统．该系统使得永磁同　

步直线电动机速度跟踪系统具有响应的快速性、鲁棒性　

和抗干扰性，基于饱和函数的滑模控制系统应用在永磁　

同步直线电机中具有很好的动静态特性．　

１　永磁直线电机数学模型　

本文中永磁直线电机伺服控制系统由速度外环和　

电流内环构成．速度外环采用模糊滑模控制，电流内环　

采用传统的比例、积分（ＰＩ）控制器以实现ｉ　一０的矢　

量控制．令ｉ　一０，则永磁直线电机数学模型为Ⅲ：　

电压方程：　

一Ｌ　等一　＋Ｒ　，　

“　一Ｌ　鲁＋ｕＩ　４－Ｒｉ　．　（１）　

磁链方程：　

中　｝一Ｉ，ｄｉ　ｄ　４－　，　

摘 要

直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设计作了深入研究。

本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方便有效的装配过程。

建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策略，选择了矢量控制方法。确定0di的矢量控制实现形式。通过SVPWM方法进行脉宽调制，合成三相正弦波。选用TI公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法在DSP中的实现形式。采用了C语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中，以智能功率模块IPM为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过压欠压保护和电源模块等。

由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。

关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制

Abstract

Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade,

especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software

and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear

motor(PMSLM).

First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which

数控系统伺服电机控制浅探　孙轶轩　（唐山钢铁股份有限公司　河北唐山０６３０００）　科学论坛　●Ｉ　［摘　要］伺服电机比步进电机性能更优越，随着现代电机控制理论的发展，伺服电机控制技术成为了机床数控系统的重要组成部分，并正朝着交流化、数　字化、智能化方向发展。　［关键词］数控系统伺服电机直接驱动　中图分类号：ＴＭ３８３．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９－９１４Ｘ（２００９）９（ｂ）一０１４３—０１　近年来，伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发　展。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及　３伺服电机控制展望　保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技　（Ｉ）伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化　术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。本　８Ｏ年代以来，数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机　文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。　内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目　１数控机床伺服系统　前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，　（１）开环伺服系统　交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋　开环伺服系统不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数　势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系　控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用　统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展，数控系统的计算速度大　步进电机作为驱动器件，机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度　大提高，采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后，大大地提高　和机械部分的传动精度，难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可　了伺服系统的性能。　能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成　另外，先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的　本低，且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高　动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压　的经济型数控机床。　器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器，其传感器　（２）全闭环伺服系统　具有小于１　ｕ　ｓ的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述　闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机　高速编码器配合实现了６０ｍ／ｍｉｎ甚至ｌＯＯｍ／ｍｉｎ的快速进给和１ｇ的加速度。　械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与　为保证高速时电动机旋转更加平滑，改进了电动机的磁路设计，并配合高速数　反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以　字伺服软件，可保证电动机即使在小于１　ｕ　ｍ转动时也显得平滑而无爬行。　采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度　（２）交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟　的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度　数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直　主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机　线电机直接驱动”　两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高，实　械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳　现高速化的成本相对较低，所以目前应用广泛。使用滚，珠丝杠驱动的高速加　定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高　工机床最大移动速度９０ｍ／ｍｉｎ，加速度１．５ｇ。但滚珠丝杠是机械传动，机械元　精度和大型数控机床上。　件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所　（３）半闭环伺服系统　以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。　半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同，同样采用伺服电动机　９０年代以来，高速高精的大型加工机床中，应用直线电机直接驱动进给驱　作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速　动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运　发电机作为位置／速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈　动惯量更小、动态响应性能更佳，运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线　信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其　电机直接驱动，不需中间机械传动，减小了机械磨损与传动误差，减少了维护工　刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。机床的定位　作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比，其速度提高３Ｏ倍，加速度提高１０　精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等　倍，最大达ｌＯｇ，刚度提高７倍，最高响应频率达ｌＯＯＨｚ，还有较大的发展余地。　项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高　当前，在高速高精加工机床领域中，两种驱动方式还会并存相当长一段时间，但　到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。　从发展趋势来看，直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明，直线　２伺服电机控制性能优越　电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。　（１）低频特性好　参考文献：　步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，　［１］　《交流伺服电机控制技术的研究》，中国测试技术，郑列勤，２００６．　运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且　５．　系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。　［２］　《数控机床及其使用维修》，机械工业出版社，卢斌，２００５．２．　（２）控制精度高　［３］　《伺服电机控制技术》，机电技术，张初生，２００６．５．２８．　交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全　数字式交流伺服电机，对于带１　７位编码器的电机而言，驱动器每接收　２１７　１３１０７２个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为３６０。／１３１０７２：９．８９秒。是　步距角为１．８。的步进电机的脉冲当量的１／６５５。　（３）过载能力强　步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选　型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。　而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的　最大转矩达到额定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩　（４）速度响应快　步进电机从静止加速到额定转速需要２００￣４００毫秒。交流伺服系统的　速度响应较快，例如松下ＭｓＭＡ　４００Ｗ交流伺服电机，从静止加速到其额定转速　仅需几毫秒。　（５）矩频特性佳　步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时转矩会急剧下　降，所以其最高工作转速一般在３００￣６００ＲＰＭ。交流伺服电机为恒力矩输出，　即在其额定转速（一般为２０００ＲＰＭ或３０００ＲＰＭ）以内，都能输出额定转矩。　科技博览ｌ

直线电机伺服控制系统的功能　

通讯接口设计与实现　

何路，艾武，闫光亚　

（华中科技大学机械科学与工程学院，数字制造技术与装备国家重点实验室，湖北武汉４３００７４）　

Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｅｒｖｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｍｏｔｏｒｓ　

ｌｉｅ　Ｌｕ．ＡＩ　Ｗｕ．ＹＡＮ　Ｇｕａｎｇ—ｙａ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：介绍了如何利用ＭＣＳ一５１系列单片机来　

组建直线电机的伺服控制系统的功能通讯接口，研　

究了如何组建伺服控制系统的硬件电路和编制软件　

算法。描述了基于ＭＣＳ一５１系列单片机的最小应　

用系统、按键接口、显示接口，以及参数设置和保存　

等部分的硬件电路设计，并在此硬件电路基础之上，　

给出了软件程序设计的基本思想以及各个子部分功　

能的软件实现。　

关键词：直线电机；单片机；伺服控制；通讯接口　

中图分类号：ＴＰ２７３　

文献标识码：Ａ　

文章编号：１００１—２２５７（２０１０）０９—００２３一Ｏ５　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｓｅｔ　ｕｐ　

ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｏ　

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｌｉｎｅａｒ——ｍｏｔｏｒｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＣＳ——　

５　１　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ．Ｈｏｗ　ｔＯ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ