基于DSP 的磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的研究*

藍(lán)益鵬 賀 偉 劉宇菲

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

直線伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，消除了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)鏈帶來(lái)的一系列不良影響，然而在數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中的摩擦阻力，特別是在低速時(shí)的非線性摩擦不可避免地影響伺服系統(tǒng)的精度，導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生爬行以及造成反向死區(qū)。磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)因其具有非接觸，無(wú)摩擦，無(wú)磨損等特點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景［1-4］。

磁懸浮永磁直線電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為一個(gè)多變量，高耦合，非線性的系統(tǒng)，因此要得到好的控制性能，必須進(jìn)行磁場(chǎng)解耦，這其中需要大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。而數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的高速數(shù)據(jù)處理能力能很好地完成這一任務(wù)，也符合實(shí)時(shí)控制的要求［5-7］。數(shù)字控制系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，有較高的分辨率，運(yùn)行可靠，無(wú)溫度漂移，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。除完成控制外，還具有保護(hù)，故障監(jiān)視，自診斷以及和上位管理機(jī)通信等功能［8-9］。

本文在建立磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以TMS320LF 2812 為主控CPU，采用SVPWM 控制技術(shù)，結(jié)合硬件電路，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，得到了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中相關(guān)量的實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁懸浮永磁直線電動(dòng)機(jī)的控制。

1 磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

磁懸浮永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的特殊性在于其動(dòng)子上存在兩套繞組，如圖1。電動(dòng)機(jī)本來(lái)就具有很強(qiáng)的電磁耦合，增加懸浮繞組使直線電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系和數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜，則要分析磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，必須對(duì)兩套繞組進(jìn)行解耦處理［10］。

為了實(shí)現(xiàn)兩套繞組的解耦控制，使在d -q 坐標(biāo)下推力繞組電流產(chǎn)生的全部磁鏈在q 軸方向上，懸浮繞組電流產(chǎn)生磁鏈全部在d 軸方向上與永磁體磁場(chǎng)一致，消除兩套繞組之間的磁鏈耦合。

由圖2 可知，懸浮繞組產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)在相位上與推力繞組產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)相差90，兩套繞組之間不存在耦合，實(shí)現(xiàn)了兩套繞組間的解耦控制。則解耦后的磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的電壓和磁鏈方程為:

其中:ud、uq、id、iq、Ld、Lq、ψd、ψq分別為d -q 坐標(biāo)系下動(dòng)子電壓、電流、電感和磁鏈;ψf為永磁體基波勵(lì)磁磁鏈，Rs為動(dòng)子電阻，v 為動(dòng)子線速度，np為極對(duì)數(shù)，τ 為極矩。動(dòng)子電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:

由上式可知，由于定子磁鏈幅值恒定不變，動(dòng)子電流在d-q 坐標(biāo)系下的分量決定磁懸浮永磁直線電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

圖3 為磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件框圖。硬件設(shè)計(jì)主要包括主電路和控制電路。主電路是由整流、濾波以及IPM 智能功率模塊構(gòu)成。控制電路是以芯片DSP TMS320F2812 為核心，其中還包括位置檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和故障診斷電路等。

控制電路中的DSP2812 最小系統(tǒng)主要由電源、DSP 芯片、晶振、RAM 及I/O 管腳組成。系統(tǒng)通過(guò)JTAG 接口和仿真器連接實(shí)現(xiàn)編程調(diào)試。在最小系統(tǒng)中，F(xiàn)lash 編程電壓是3.3 V，主頻為150 MHz，同時(shí)還有多達(dá)128 kBit×16 位的Flash 存儲(chǔ)器以及兩個(gè)時(shí)間管理器EVA 和EVB，它們能捕獲位置信號(hào)，產(chǎn)生可調(diào)死區(qū)的各種PWM 波形。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、系統(tǒng)初始化程序、起始定位子程序、定時(shí)器中斷子程序、A/D 電流采樣子程序、電流和速度的PI 調(diào)節(jié)、SVPWM 波形產(chǎn)生子程序和外部中斷子程序等。

主程序框圖如圖4 所示，主要實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)系統(tǒng)初始化:DSP 內(nèi)核初始化、中斷初始化、ADC 初始化及啟動(dòng)、事件管理器初始化、電動(dòng)機(jī)動(dòng)子的初始位置參數(shù)初始化。(2)位置初始化:電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子進(jìn)行初始定位，開(kāi)中斷并啟動(dòng)事件管理器。(3)若有中斷到來(lái)，則執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

中斷服務(wù)子程序主要包括電流大小的計(jì)算、速度位置信息和矢量變換組成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

磁懸浮永磁直線電動(dòng)機(jī)及其伺服系統(tǒng)如圖5 所示，它包括了自行設(shè)計(jì)的磁懸浮永磁直線電動(dòng)機(jī)和實(shí)驗(yàn)研究所需的硬件電路。

3.1 SVPWM 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反電動(dòng)勢(shì)波形

從DSP 輸出的6 路PWM 波分別控制IPM 的6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，從數(shù)字示波器測(cè)得的PWM1 和PWM4 波形如圖6 所示。PWM 信號(hào)的周期為50 μs，幅值3.3 V。

圖7 為A 相和B 相反電動(dòng)勢(shì)波形，圖中波形幅值逐漸減小為電動(dòng)機(jī)減速過(guò)程。

3.2 光柵尺輸出信號(hào)波形

直線伺服控制系統(tǒng)位置測(cè)量采用的是長(zhǎng)光柵尺傳感器，作為位移、速度與磁極位置測(cè)量元件，安裝在電動(dòng)機(jī)的輔助導(dǎo)軌之間。圖8 和圖9 分別為電動(dòng)機(jī)正向和反向運(yùn)行時(shí)，光柵尺輸出信號(hào)波形。

由圖8 和圖9 可以看出，雖然光柵尺的波形有一些毛刺，但高低電平間轉(zhuǎn)換延遲時(shí)間很短，相位差也足以讓鑒相器識(shí)別，所以效果比較理想。

3.3 相電壓和線電壓波形

速度參考值對(duì)應(yīng)的PU(per unit)值為:Speedref=0.1，對(duì)應(yīng)于0.8 Hz，周期1.25 s，速度為105.6 mm/s。直流母線電壓Ud=80 V。對(duì)直流中性點(diǎn)o'的相電壓U'a0，U'bo波形。相電壓只有±Ud/2 兩個(gè)電平，即+40 V，-40 V，見(jiàn)圖10。

對(duì)電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)N 的相電壓UaN、UbN波形，有±Ud/3、±2Ud/3 和0 五個(gè)電平，見(jiàn)圖11。

Uab=U'a0-U'bo，Uab線電壓波形只有± Ud和0這3 個(gè)電平，見(jiàn)圖12～13。圖13 中，寬的地方是減速反向過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以磁懸浮永磁直線同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，研究了基于DSP 的直線伺服系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法:

(1)將矢量控制分別應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的兩套繞組，實(shí)現(xiàn)推力與懸浮力的解耦。建立了磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

(2)設(shè)計(jì)了基于智能功率模塊構(gòu)成的磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的主電路，以及伺服系統(tǒng)的控制軟件。

(3)對(duì)磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)所得波形驗(yàn)證了系統(tǒng)控制方案合理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁懸浮永磁直線伺服系統(tǒng)的精確控制。因此，基于DSP 的磁懸浮永磁直線伺服控制系統(tǒng)的研究具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。

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