直线电机控制系统中电流环的优化设计

直线电机控制系统中电流环的优化设计

杨赫

（德中（天津）技术发展股份有限公司300384）

摘要：直流直线电机不需要传动机构就能够获得直线运动，具有良好的控制特性，在短行程高频精密加工场合中具有广阔的应用前景。文中主要针对直流直线电机的控制系统电流环的设计进行优化研究。分析了直线电机的控制原理，设计了电机控制系统的软硬件方案，基于SVPWM原理，对电流环伺服控制策略进行了研究，并对抑制推力波动和电机驱动中逆变器的死区补偿问题做了一些探讨，最后详细介绍了直线电机中电流环的软件实现方法。

关键词：直线电路；控制系统；电流环；优化设计

引言：

相比于旋转电机与传动机构相结合的传统直线运动机构，直线电机具有加速度大、控制精度高和响应快等优点，因此在精密激光设备等高精密设备中，直线电机及其驱动控制系统具有重要的研究和应用价值，在高精度的永磁同步直线电机（permanentmagnetlinearsynchronousmotor，PMLSM）驱动控制系统中，主要包括位置环、速度环和电流环3个控制环节，电流环作为最内环节，将控制系统与电机单元衔接起来，是电机驱动控制系统的核心环节，特别是应用在光刻机工件台中的直线电机驱动控制系统，具有较高的位置环带宽才能提高系统的跟踪精度，因此电流环需要更高的动态性能。

一、概述

1、分类

直线电机分为直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机、直线磁阻电动机。目前使用比较广泛的是直线感应电动机和直线同步电动机。直线同步电动机虽然比直线感应电机工艺复杂、成本较高，但是效率较高、次级不用冷却、控制方便，更容易达到要求的性能。因此随着钕铁硼永磁材料的出现和发展，永磁同步电机已成为主流。在数控设备等需要高精度定位的场合，基本上采用的都是永磁交流直线同步电动机。

2、直线电机进给系统控制策略现状

直线电机伺服驱动系统必须满足高速度、高精度的要求，这就要求控制系统采取有效的控制策略抑制各种扰动。一个有效的控制策略应该基于对对象模型结构宏观的把握，从某一具体对象的特性出发，针对产生扰动的原因，采取相应的控制技术，从而实现有效控制。在满足主要要求的同时，兼顾伺服系统对指令的跟踪能力和抗干扰能力。

3、直流直线电机的工作原理

永磁式直流直线电机可以看作是由永磁旋转直流电机演变而来的。电机运动轴和杯套固定在一起，杯套上有缠绕线圈，线圈置于永磁体产生的磁场中，在线圈的行程范围内，永久磁铁给予它大致均匀的磁场。当线圈中通入直流电流时，载有电流的导体在磁场中就会受到电磁力的作用，在电磁力的作用下，电机运动轴直线运动。

4、电流环

电流环指的是电流反馈系统.一般指的是将输出电流采用正反馈或负反馈的方式接入处理环节的方法，主要为了通过提高电流的稳定性能来提高系统的性能。

二、电流环的控制策略

在直线电机运行中必须要同时满足高速和高精度两个要求，因此对直线电机的控制要求比较高，必须要采用有效的控制技术，直线电机的非线性、耦合性、动子质量和粘性摩擦系数的变化、负载的扰动、电源的波动等等，特别是端部效应引起的推力变化等等都增加了直线电机控制的难度，所以在电流环的设计中需要注重控制推力波动补偿以及克服死区影响的相关研究工作。

1.直线电机的推力补偿波动研究

对于推力波动补偿的方法有很多种，一般可以选用先进的控制算法，比如说模糊控制、滑模控制等等，都是推力补偿中比较先进的控制算法；另外也可以对于推力波动进行模型进行单独补偿，通常通过建立数学模型，常用的有解析法、有限元分解计算法以及试验法三种，其中有限元分解计算法的使用频率最高，有限元分解机算法是利用ANSYS等有限元计算工具进行计算的，对于直线电机进行有限元分解计算，可以获得电机的推力波动曲线，因为所需要的精确控制的直驱电机在实验平台中是作为负载系统的，所以我们采用有限元分析建模，然后把所建立的模型转变成补偿表，形成一个具有查表补偿功能的控制系统，在电机控制控制器的软件设计中加入了馈补偿器，这样负载系统稳定的效果将会更有成效。

2.直线电机的死区补偿研究

在电压型脉宽调制（PWM）逆变电路中，为避免同同一桥臂上的开关器件的直通，必须插入死区时间。然而，死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素。对于电机驱动系统而言，死区效应会使得电机低速时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波，因此对逆变器的死区必须进行补偿。

一旦设计好SVPwM波形生成电路和设定好死区时间，这些因素对电流的控制的影响也是恒定的。本文设计的是采用F2812的事件管理器生成SvPWM波形的，因此SvPWM波形的分辨率与其计数器位数和PWM调制周期有关，这个因素几乎不能改动：而SVPWM生成时的死区矢量导致电压利用率降低，可以根据工GBT器件的死区时间尽量设定最小值，此外还可以通过补偿算法进行死区补偿。软件补偿算法是采用纯软件的方法，在电机的控制程序中加入死区补偿的算法。这类补偿算法也可以称之为死区时间补偿法。在TMs320LF2812中，死区补偿脉宽可以通过修改事件管理器EV中的CMPRI、CMPRZ来实现。

可采用如下补偿方法：找出当前状态所处的矢量区间，假设所加入的死区时间为T，然后根据PWM波形图可以得到实际矢量作用顺序与时间。同时根据伏秒平衡原则，可以得到死区矢量可以等效为首矢量与第二矢量的合成矢量。即由于死区的影响，矢量作用时间发生变化。找出相应的时间值，就可以进行补偿。在其它矢量区间时，根据此原则同样可以得到死区补偿的时间。

3.软件实现

电流环的调节频率是8（K125us），这个频率是根据系统的调节特性和外部噪声发热以及功率驱动模块等特性决定的。

从主程序中进入电流环定时中断的语句：

PieVectTable.T1PINT=&EvaTimer1P_ISR；

系统初始化函数voidInitEv（void），设置TI周期定为500us，T1的控制寄存器，比较使能，定时器使能，连续增减计数模式，设置pwm输出135为高有效，246为低有效。

VoidInitev（void）

{……

EvaRegs.T1PR=OxOBEBB；EvaRegs.T1CON.

All=0x0842；EvaRegs.T1CON=0x3c00；

EvaRegs.ACTRA.all=0x666；EvaRegs.T1CNT=0x0000；

EvaRegs.DBTCONA.all=0x088f；

EvaRegs.COMCONA=0xA600；

……

}

图1

程序中clarke变换、pake变换、PT算法以及逆Clarke变换以函数的形式出现，定时器1计数到设定的周期值，比较寄存器根据计算的时间值自动重新装载，使输出的PWM波形占空比发生变化。

图1所示为加入死区补偿之后Iq=246时，116V下，电流环U相电流波形。

由上图可以看出，加入了死区补偿的电流环能够有效改善电机控制的正弦波形，基本消除波形畸变的现象，提高了逆变器的输出性能。

三、结束语

本文详细介绍了直线电机的电流环控制方案，以IT的DSP芯片对VSPWM实现了全数字控制，并提出抑制推力波动的具体方法，通过对死区补偿算法的改进，有效减少了电机死区时间的影响，消除了谐波，同时提升了电流输出能力。所设计的电流环具有更高的控制效率，动态性能得到改善，满足直线电机高速度和高精度的控制要求。

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