永磁同步直線電機驅動控制技術研究*

孫建國 ，武 帥，趙 陽

（包頭長安永磁電機有限公司，內蒙古 包頭 014030）

現階段，高精度、高速度以及動態響應性能優良的驅動系統，已經成為一種新的發展趨勢。以往采取的驅動技術，通過在旋轉電機添加螺母副以及滾珠絲杠所構建的伺服驅動；或者在旋轉電機添加蝸桿及渦輪副、精密齒輪實現的旋轉驅動。但是上述驅動方式，已經無法滿足數控機床精確度高、速度高的綜合性能要求。基于此，在系統中如何引入直接驅動技術，逐漸成為相關研究人員的關注重點。采取直接驅動系統，能避免過去在伺服執行過程中的機械傳動步驟，實現伺服電機直接連接運動部件，由此提高動態響應速度。

1 直線電機基本特征

直線電機相比旋轉電機，主要特征表現如下：1）其屬于直線運動的一類裝置，針對數控系統應用直接驅動相關部件發起進給運動，不同于旋轉運動添加裝置進行直線運動；2）電機具備較高加速度，呈現出色的動態響應性能；3）獨具的端部效應會對系統性能造成主要影響，加之電機側為敞開式磁場，所以應該安裝隔磁防護設備；4）系統缺少中間環帶來的緩沖作用，則很敏感負載擾動，在一定程度上提高了控制難度[1]。

直線電機主要優勢如下：1）結構簡單。由于不涉及轉換機構進行直線運動，其結構不僅被簡化而且能減少運動慣量，大幅度提升定位精度，在降低成本的同時方便維護。2）滿足高速直線運動要求。由于不受限離心力，即使普通材料也會達到很高的速度。在初級和次級之間通過氣墊進行間隙保護，在運動過程中沒有機械接觸，在運動時不會產生噪聲與摩擦。若是零部件不涉及磨損，在降低機械損耗的同時防止拖纜、齒輪等出現的噪聲[2]。3）能夠解決單邊磁拉力現象。

2 矢量控制基本原理

2.1 id=0控制

轉矩角在該控制策略下始終保持90°不變，面對這一情況，控制磁場所產生電流、d軸電流一直為0，使電磁推力是d軸分量和永磁體磁鏈之間的乘積，讓推力電流和電磁推力間形成一種線性關系。與此同時，勵磁電流在理想狀態下的分量始終為0，避免因為去磁效應而影響電機性能。但是這種控制方法的突出缺點為要求使用性能較高的逆變器。

2.2 cosφ=1控制

就UPF控制而言，主要指的是逆變器自身的容量等級用作有功輸入而充分運用。可這種控制方法難以對勵磁電流實際分量有效控制，如果負載出現變化，就會出現變化的電樞電流，難以讓磁場磁鏈保持恒定，由此電機推力無，難以和電流體現出線性關系。另外，電機輸出在此控制方法下會讓最大推力變小，增大退磁系數，降低電機的運行效率及推力[3]。

2.3 恒磁鏈控制

恒磁鏈控制主要是控制動子電流，讓動子交鏈磁鏈能夠和由永磁體產出的氣隙磁鏈具有相同幅值。這一方法在符合高功率因數的基礎上，將電機推力最大輸出值有效拓展，可輸出的最大推力依舊會被限制。上述控制方法擁有各自特征，而且適用場合各有不同，依托簡單對比這些控制方法，且兼顧實際工程難度，最好選擇第一種控制策略。用于動子磁場實現定向控制目標的伺服控制系統，依據從內至外的原則，通過電流、速度和位置閉環構成。針對電流環而言，主要對電流矢量進行解禍控制，其中PI調節器的組成要素主要是SVPWM、坐標變換模塊等，核心作用為確保隨時控制動子電流，讓伺服系統擁有更高的響應速度[4]。有關其中的速度環，則是在使系統擁有出色跟隨性的基礎上提高抗擾性能，進行動態調節有效限制電機，進入到穩態調節將電機存在的速度誤差消除。最后位置環，用于跟蹤位置指令，通常情況下控制設備會以前饋控制算法幫助系統提升動態響應能力，至于性能指標為對誤差穩態跟蹤與位置環增益。

3 直接推力控制基本原理

控制磁鏈與推力屬于其核心，能夠直接決定控制系統各類性能。以往控制直接推力的方法為調整推力以及磁鏈滯環，通過誤差進行控制精度的控制，即有差系統。關于這一有差行為，不只是體現在動態，即定子磁鏈與電磁推力均一直處在升降與比較之間，始終進行不停脈動，唯有平均值才會進行給定值跟蹤[5]。基于該理論特征，使其具備較快動態性能的優勢，導致脈動較大。以電壓預測為基礎控制直接推力，依據推力與磁鏈誤差，預測下一時間節點的參考電壓，通過調制空間矢量的方法明確開合逆變器的時間，且可以仿真驗證該方法將磁鏈波動和推力降低的實效性。現階段，一些研究人員把模糊、滑模控制有機結合控制直接推力。依托模糊控制有效選取電壓矢量；依托變結構控制擇取磁鏈與推力偏差用于被控量，通過磁鏈與推力偏差所組建的滑模面，由此設計滑模運動軌跡，這樣系統便能以滑動模態為基礎進行運動，確保輸出的磁鏈、推力均擁有理想的跟蹤給定值。雖然模糊控制體現出較強的魯棒性及動態響應速度，可是模糊狀態選擇設備，有關選擇隸屬函數體現出一定的盲目性及主觀性，若是不正當選擇很容易降低系統性能。雖然進行直接推力控制導致系統參數出現魯棒性變化，可是因為控制器抖振，所以無論是磁鏈波動與推力依然會受到影響，因此怎樣優化控制性能，逐漸成為一個研究重點[6]。

4 設計控制系統技術要點

為讓控制系統擁有更理想的效果，軟件設計是其核心部分，依托操作系統DSP/BIOS，其在DSP/BIOS中以編程與配置有機結合的手段，設計伺服系統。

4.1 軟件需求

主要軟件功能為檢測初始位置、輸出PWM驅動信號、存儲參數以及處理故障報警等相關功能。主要軟件需求為：初始相位直線電機然后找出機械零位；采取驅動控制算法，控制電機矢量而且實現SVPWM波輸出，通過對電機有效運行，得以對電機位置及其速度進行伺服控制；實現人機交互；處理故障，依據故障信號處理系統各類故障，從而提升系統的可靠性。

4.2 功能模塊

結合系統實際要求與上述軟件需求，進行軟件設計要重視如下模塊設計環節。

第一，初始尋相以及回零。功能主要是檢測初始磁極所處位置，讓動子可以刨除機械零點在任何地方啟動，然后讓電機驅動到零點[7]。

第二，系統初始化。主要負責啟動系統環節的軟件初始化。

第三，處理故障。按照反饋信號科學檢測系統故障，如果確定系統存在故障應對PWM信號輸出及時控制，以此保障系統穩定性。

第四，電機驅動。通過矢量控制算法進行三閉環控制。

第五，人機接口。負責控制界面信息的接收，按照按鍵信息設置有關系參數或者是執行命令；另外其具備的顯示功能，能夠實時呈現當前系統所處的運行狀態。

4.3 設計主程序

主程序首先通過main()函數來執行，其通過DSPBIOS系統進行設計，不同于前后臺設計，該函數中不能添加死循環語句，不然系統難以進入到操作系統，從而致使系統出錯。

main()在這一軟件系統中，主要用來初始化各個DSP寄存器、顯示各個模塊的輸入參數與變量、初始定位觸發中斷。在完成初始化之后，由DSP/BIOS執行程序控制權，通過系統內核來調度任務。

4.4 故障保護

4.5 初始尋相以及回零

位置傳感設備為增量式光柵尺，每次將直線電機啟動時，難以明確動子和電機的絕對位置和初始相位角，那么上電之后應將動子起始位置確定，將d軸、A軸之間電角度確定，從而保證電機穩定運行[8]。利用預定位手段，憑借電壓空間矢量增加的方式實現初始尋相。出于保障定位精確，為電機順次施加90°、0°電壓矢量，驅動電壓矢量運動至具體位置，將d軸和A軸相互重合實現初始尋相。將電壓施加給電機時，防止動子繞組出現較大電流，通過電壓幅值的緩慢提高，在2 s將電壓提高到25Umax。動子初始相在被準確檢測之后，對動子進行開環控制運行到零點，待其運行到零點處之后結束這一程序。

4.6 電機驅動控制

這一系統中，設定開關頻率是10 kHz，調節電流環周期是0.1 ms，由于位置環、速度環和電流環相比擁有更慢的響應速率，所以位置、速度環進行調節的周期應為電流環10倍。這一系統響應T1下溢中斷，程序依托電流采樣得到運行狀態下的電機兩相電流值，處理編碼設備輸出的脈沖，由此計算獲得動子與磁極角位置。在此基礎上，實現位置調節模塊順次實行，具體示意圖如圖1所示。

圖1 驅動控制流程示意圖

5 結論

1）設計位置滑模觀測設備。機械傳感設備在伺服系統中，一方面系統會增大復雜性及尺寸，并且部分場合給系統的穩定性、安全性造成威脅。對于伺服系統而言，深入研究無傳感器技術，當前估計策略面對估計精度沒有保障、較低動靜態性差不足，而如果把Sigmoid函數運用到滑模觀測設備，在此基礎上形成的滑模速度及其位置觀測模式，并不涉及低通濾波設備。基于此，這種方法能夠在根本上處理由于引用低通濾波設備造成的系列問題，一方面降低相位誤差，另一方面讓系統擁有更高的運行速度[9]。

2）具備摩擦及補償推力波動的控制定位精度策略。有關定位力以及摩擦力波動，會對伺服系統各項性能造成直接影響。依據滑模控制基本理論以及自適應管控方法，形成控制定位精度的策略，這一策略通過滑模控制針對系統參數的干擾、變化體現出魯棒性特征，依據自適應合理估計其中的不確定性參數，避免以往滑模控制模式下的抖振現象，還能讓伺服系統擁有更強的跟蹤性能。

3）以自適應反步控制為基礎的直接推力控制。矢量控制之后產生的先進控制方法，不涉及電流環還能讓系統提高響應能力。對于當前直接推力控制過程中的磁鏈、推力等問題，形成該控制策略。通過實際反饋速度和速度指令獲得電磁虛擬推力，然后按照虛擬推力、指定磁鏈獲得軸控制電壓，無需Parke逆變換，僅需SVPWM驅動逆變設備讓系統的調速性能更高。

4）混沌特性屬于一種特殊的非線性系統特性，體現在同步電機現象為振蕩明顯的速度及轉矩、不穩定的控制性能、電磁噪聲不規則等相關混沌現象，不僅會直接威脅到系統可靠性，還會引發系統崩潰。基于分析混沌特性，形成有限時間的控制策略、以CLF為基礎的混沌控制、以時延觀測設備為基礎的混沌控制[10]。其中，有限時間混沌控制，一方面系統能夠漸進穩定，另一方面確保其狀態能夠在指定時間范圍穩定至預期平衡點；以CLF為基礎的混沌控制，主要應用的是hiLyapunov穩定理論，實現設計控制器和穩定分析系統相結合，降低設計難度。以上方法僅是分析電機系統當中各項參數出現的變化，但若以時延觀測設備為基礎進行混沌控制，不僅兼顧參數變化還能避免負載擾動帶來的影響，讓其和現實情況相符。