永磁同步直线电机驱动控制技术研究*

孙建国 ，武 帅，赵 阳

（包头长安永磁电机有限公司，内蒙古 包头 014030）

现阶段，高精度、高速度以及动态响应性能优良的驱动系统，已经成为一种新的发展趋势。以往采取的驱动技术，通过在旋转电机添加螺母副以及滚珠丝杠所构建的伺服驱动；或者在旋转电机添加蜗杆及涡轮副、精密齿轮实现的旋转驱动。但是上述驱动方式，已经无法满足数控机床精确度高、速度高的综合性能要求。基于此，在系统中如何引入直接驱动技术，逐渐成为相关研究人员的关注重点。采取直接驱动系统，能避免过去在伺服执行过程中的机械传动步骤，实现伺服电机直接连接运动部件，由此提高动态响应速度。

1 直线电机基本特征

直线电机相比旋转电机，主要特征表现如下：1）其属于直线运动的一类装置，针对数控系统应用直接驱动相关部件发起进给运动，不同于旋转运动添加装置进行直线运动；2）电机具备较高加速度，呈现出色的动态响应性能；3）独具的端部效应会对系统性能造成主要影响，加之电机侧为敞开式磁场，所以应该安装隔磁防护设备；4）系统缺少中间环带来的缓冲作用，则很敏感负载扰动，在一定程度上提高了控制难度[1]。

直线电机主要优势如下：1）结构简单。由于不涉及转换机构进行直线运动，其结构不仅被简化而且能减少运动惯量，大幅度提升定位精度，在降低成本的同时方便维护。2）满足高速直线运动要求。由于不受限离心力，即使普通材料也会达到很高的速度。在初级和次级之间通过气垫进行间隙保护，在运动过程中没有机械接触，在运动时不会产生噪声与摩擦。若是零部件不涉及磨损，在降低机械损耗的同时防止拖缆、齿轮等出现的噪声[2]。3）能够解决单边磁拉力现象。

2 矢量控制基本原理

2.1 id=0控制

转矩角在该控制策略下始终保持90°不变，面对这一情况，控制磁场所产生电流、d轴电流一直为0，使电磁推力是d轴分量和永磁体磁链之间的乘积，让推力电流和电磁推力间形成一种线性关系。与此同时，励磁电流在理想状态下的分量始终为0，避免因为去磁效应而影响电机性能。但是这种控制方法的突出缺点为要求使用性能较高的逆变器。

2.2 cosφ=1控制

就UPF控制而言，主要指的是逆变器自身的容量等级用作有功输入而充分运用。可这种控制方法难以对励磁电流实际分量有效控制，如果负载出现变化，就会出现变化的电枢电流，难以让磁场磁链保持恒定，由此电机推力无，难以和电流体现出线性关系。另外，电机输出在此控制方法下会让最大推力变小，增大退磁系数，降低电机的运行效率及推力[3]。

2.3 恒磁链控制

恒磁链控制主要是控制动子电流，让动子交链磁链能够和由永磁体产出的气隙磁链具有相同幅值。这一方法在符合高功率因数的基础上，将电机推力最大输出值有效拓展，可输出的最大推力依旧会被限制。上述控制方法拥有各自特征，而且适用场合各有不同，依托简单对比这些控制方法，且兼顾实际工程难度，最好选择第一种控制策略。用于动子磁场实现定向控制目标的伺服控制系统，依据从内至外的原则，通过电流、速度和位置闭环构成。针对电流环而言，主要对电流矢量进行解祸控制，其中PI调节器的组成要素主要是SVPWM、坐标变换模块等，核心作用为确保随时控制动子电流，让伺服系统拥有更高的响应速度[4]。有关其中的速度环，则是在使系统拥有出色跟随性的基础上提高抗扰性能，进行动态调节有效限制电机，进入到稳态调节将电机存在的速度误差消除。最后位置环，用于跟踪位置指令，通常情况下控制设备会以前馈控制算法帮助系统提升动态响应能力，至于性能指标为对误差稳态跟踪与位置环增益。

3 直接推力控制基本原理

控制磁链与推力属于其核心，能够直接决定控制系统各类性能。以往控制直接推力的方法为调整推力以及磁链滞环，通过误差进行控制精度的控制，即有差系统。关于这一有差行为，不只是体现在动态，即定子磁链与电磁推力均一直处在升降与比较之间，始终进行不停脉动，唯有平均值才会进行给定值跟踪[5]。基于该理论特征，使其具备较快动态性能的优势，导致脉动较大。以电压预测为基础控制直接推力，依据推力与磁链误差，预测下一时间节点的参考电压，通过调制空间矢量的方法明确开合逆变器的时间，且可以仿真验证该方法将磁链波动和推力降低的实效性。现阶段，一些研究人员把模糊、滑模控制有机结合控制直接推力。依托模糊控制有效选取电压矢量；依托变结构控制择取磁链与推力偏差用于被控量，通过磁链与推力偏差所组建的滑模面，由此设计滑模运动轨迹，这样系统便能以滑动模态为基础进行运动，确保输出的磁链、推力均拥有理想的跟踪给定值。虽然模糊控制体现出较强的鲁棒性及动态响应速度，可是模糊状态选择设备，有关选择隶属函数体现出一定的盲目性及主观性，若是不正当选择很容易降低系统性能。虽然进行直接推力控制导致系统参数出现鲁棒性变化，可是因为控制器抖振，所以无论是磁链波动与推力依然会受到影响，因此怎样优化控制性能，逐渐成为一个研究重点[6]。

4 设计控制系统技术要点

为让控制系统拥有更理想的效果，软件设计是其核心部分，依托操作系统DSP/BIOS，其在DSP/BIOS中以编程与配置有机结合的手段，设计伺服系统。

4.1 软件需求

主要软件功能为检测初始位置、输出PWM驱动信号、存储参数以及处理故障报警等相关功能。主要软件需求为：初始相位直线电机然后找出机械零位；采取驱动控制算法，控制电机矢量而且实现SVPWM波输出，通过对电机有效运行，得以对电机位置及其速度进行伺服控制；实现人机交互；处理故障，依据故障信号处理系统各类故障，从而提升系统的可靠性。

4.2 功能模块

结合系统实际要求与上述软件需求，进行软件设计要重视如下模块设计环节。

第一，初始寻相以及回零。功能主要是检测初始磁极所处位置，让动子可以刨除机械零点在任何地方启动，然后让电机驱动到零点[7]。

第二，系统初始化。主要负责启动系统环节的软件初始化。

第三，处理故障。按照反馈信号科学检测系统故障，如果确定系统存在故障应对PWM信号输出及时控制，以此保障系统稳定性。

第四，电机驱动。通过矢量控制算法进行三闭环控制。

第五，人机接口。负责控制界面信息的接收，按照按键信息设置有关系参数或者是执行命令；另外其具备的显示功能，能够实时呈现当前系统所处的运行状态。

4.3 设计主程序

主程序首先通过main()函数来执行，其通过DSPBIOS系统进行设计，不同于前后台设计，该函数中不能添加死循环语句，不然系统难以进入到操作系统，从而致使系统出错。

main()在这一软件系统中，主要用来初始化各个DSP寄存器、显示各个模块的输入参数与变量、初始定位触发中断。在完成初始化之后，由DSP/BIOS执行程序控制权，通过系统内核来调度任务。

4.4 故障保护

4.5 初始寻相以及回零

位置传感设备为增量式光栅尺，每次将直线电机启动时，难以明确动子和电机的绝对位置和初始相位角，那么上电之后应将动子起始位置确定，将d轴、A轴之间电角度确定，从而保证电机稳定运行[8]。利用预定位手段，凭借电压空间矢量增加的方式实现初始寻相。出于保障定位精确，为电机顺次施加90°、0°电压矢量，驱动电压矢量运动至具体位置，将d轴和A轴相互重合实现初始寻相。将电压施加给电机时，防止动子绕组出现较大电流，通过电压幅值的缓慢提高，在2 s将电压提高到25Umax。动子初始相在被准确检测之后，对动子进行开环控制运行到零点，待其运行到零点处之后结束这一程序。

4.6 电机驱动控制

这一系统中，设定开关频率是10 kHz，调节电流环周期是0.1 ms，由于位置环、速度环和电流环相比拥有更慢的响应速率，所以位置、速度环进行调节的周期应为电流环10倍。这一系统响应T1下溢中断，程序依托电流采样得到运行状态下的电机两相电流值，处理编码设备输出的脉冲，由此计算获得动子与磁极角位置。在此基础上，实现位置调节模块顺次实行，具体示意图如图1所示。

图1 驱动控制流程示意图

5 结论

1）设计位置滑模观测设备。机械传感设备在伺服系统中，一方面系统会增大复杂性及尺寸，并且部分场合给系统的稳定性、安全性造成威胁。对于伺服系统而言，深入研究无传感器技术，当前估计策略面对估计精度没有保障、较低动静态性差不足，而如果把Sigmoid函数运用到滑模观测设备，在此基础上形成的滑模速度及其位置观测模式，并不涉及低通滤波设备。基于此，这种方法能够在根本上处理由于引用低通滤波设备造成的系列问题，一方面降低相位误差，另一方面让系统拥有更高的运行速度[9]。

2）具备摩擦及补偿推力波动的控制定位精度策略。有关定位力以及摩擦力波动，会对伺服系统各项性能造成直接影响。依据滑模控制基本理论以及自适应管控方法，形成控制定位精度的策略，这一策略通过滑模控制针对系统参数的干扰、变化体现出鲁棒性特征，依据自适应合理估计其中的不确定性参数，避免以往滑模控制模式下的抖振现象，还能让伺服系统拥有更强的跟踪性能。

3）以自适应反步控制为基础的直接推力控制。矢量控制之后产生的先进控制方法，不涉及电流环还能让系统提高响应能力。对于当前直接推力控制过程中的磁链、推力等问题，形成该控制策略。通过实际反馈速度和速度指令获得电磁虚拟推力，然后按照虚拟推力、指定磁链获得轴控制电压，无需Parke逆变换，仅需SVPWM驱动逆变设备让系统的调速性能更高。

4）混沌特性属于一种特殊的非线性系统特性，体现在同步电机现象为振荡明显的速度及转矩、不稳定的控制性能、电磁噪声不规则等相关混沌现象，不仅会直接威胁到系统可靠性，还会引发系统崩溃。基于分析混沌特性，形成有限时间的控制策略、以CLF为基础的混沌控制、以时延观测设备为基础的混沌控制[10]。其中，有限时间混沌控制，一方面系统能够渐进稳定，另一方面确保其状态能够在指定时间范围稳定至预期平衡点；以CLF为基础的混沌控制，主要应用的是hiLyapunov稳定理论，实现设计控制器和稳定分析系统相结合，降低设计难度。以上方法仅是分析电机系统当中各项参数出现的变化，但若以时延观测设备为基础进行混沌控制，不仅兼顾参数变化还能避免负载扰动带来的影响，让其和现实情况相符。