[發明專利]用雙直線永磁同步電機控制龍門數控銑床的裝置及方法

有效

• 申請號: 201310578213.8
• 申請日: 2013-11-16
• 公開（公告）號: CN103560721A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 趙希梅;趙久威;程浩;孫宜標;馬志軍
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: H02P6/04
• 分類號: H02P6/04;B23Q15/00
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種用雙直線永磁同步電機控制龍門數控銑床的裝置，其特征在于：包括：整流濾波電路、IPM逆變單元、DSP處理器、IPM隔離保護驅動電路、位置速度檢測電路、電流檢測電路以及永磁直線同步電機：

整流濾波電路：與三相交流電源相連，將變化的交流電轉化為穩定的直流電；

IPM逆變電路：把整流濾波電路輸出的直流電逆變成交流電，供給永磁直線同步電機；

控制電路：用于接收檢測電路檢測到的位置、速度和電流信號，經過DSP計算，得出的結果經兩組IPM隔離保護驅動電路，分別控制IPM逆變單元中的開關管通斷，實現對兩臺永磁直線同步電機的控制；

控制電路進一步包括：DSP處理器、IPM隔離驅動保護電路、電流檢測電路和位置速度檢測電路；

DSP處理器：將給定的位置信號，與光柵尺檢測雙直線電機位置信號作差，得到兩臺電機的跟蹤誤差，通過兩個跟蹤誤差計算得到混合誤差，利用交叉耦合互補滑模變結構控制算法，計算得出兩臺電機的控制信號，產生PWM信號，對兩個永磁直線同步電機進行伺服驅動；

IPM隔離驅動保護電路：用于隔離IPM逆變電路和控制電路，并用于驅動IPM逆變電路中的六個IGBT工作；

電流檢測電路：用于采集動子電流，并將電流模擬量轉變為DSP可以識別的數字量；

位置速度檢測電路：用于將光柵尺采集的位置速度信號轉化為可被DSP識別的數字量。

2.根據權利要求1所述的用雙直線永磁同步電機控制龍門數控銑床的裝置，其特征在于：所述的整流濾波電路經IPM逆變電路的輸出端連接永磁直線同步電機，IPM逆變電路經電流檢測電路連接DSP處理器的一路輸入端，永磁直線同步電機的輸出端經光柵尺、位置速度檢測電路連接至DSP處理器的一路輸入端，IPM逆變電路的輸出還接有霍爾傳感器，霍爾傳感器與電流檢測電路相連，然后將檢測的電流信號送至DSP處理器的一路輸入端，DSP處理器的一路輸出端經IPM保護隔離驅動電路連接至IPM逆變電路的另一路輸入端。

3.根據權利要求1所述的用雙直線永磁同步電機控制龍門數控銑床的裝置，其特征在于：所述的永磁直線同步電機，型號相同，且兩個直線電機驅動電路元件選擇均相同。

4.一種用雙直線永磁同步電機控制龍門數控銑床的方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

步驟1：輸入位置信號，此時兩個直線電機接收到同樣的指令信號，兩電機開始運動；

步驟2：確定每個直線電機動子的實測位置、速度及電流；

電機運動后，兩個伺服系統的檢測電路同時開始工作，光柵尺經位置速度檢測電路輸出兩相正交方波脈沖信號和零位脈沖信號，共三路脈沖信號；脈沖信號送DSP的正交編碼脈沖輸入單元QEP，進行四倍頻處理，提高編碼器分辨率，同時通用定時器設置成定向增減計數模式，從兩相正交方波脈沖信號的脈沖個數可知動子的位置偏移，由兩相脈沖的超前關系可得動子的轉向，從而得出動子的位置和速度；利用霍爾傳感器采集動子電流；

步驟3：利用步驟2中采集到的數據，首先計算出混合誤差，然后采用互補滑模變結構控制算法對其進行計算，最后得出控制率，即雙永磁直線同步電機的控制電流，整個計算過程均在DSP中實現，具體步驟如下：

步驟3.1：建立永磁直線同步電機的機械運動方程及系統動態方程；

建立d-q軸模型：對于永磁直線同步電機，取永磁體磁極軸線為d軸，而超前d軸90度電度角為q軸，構成了d-q坐標系；

令電流內環d軸電流分量i_d=0，使定子電流矢量和永磁體磁場在空間上正交，則永磁直線同步電機的電磁推力方程為：

F_ei=K_fii_qi?????????????(1)

式中，K_fi為電磁推力常數，i_qi為q軸電流，下角標i=1，2，用于表示雙直線電機伺服系統的兩臺永磁直線同步電機，加以區分，永磁直線同步電機的機械運動方程可表示為

Fei=Miv·i+Bivi+Fi---(2)]]>

式中，M_i為永磁直線同步電機的動子和動子所帶負載的總質量，B_i為粘滯摩擦系數，v_i為動子速度，表示動子速度的一階導數，即動子加速度，F_i為擾動，包括電機參數變化、外界擾動及非線性摩擦力；

忽略系統的參數變化、外界擾動及非線性摩擦力的影響，根據上述的機械運動方程可改寫為：

d··i(t)=-BiMid·i(t)+KfiMiiqi=Anid·i(t)+Bniui---(3)]]>

式中，為永磁直線同步電機動子位置的二階導數，為動子位置的一階導數，u_i為控制器輸出，即電流i_qi，A_ni=-B_i／M_i，B_ni=K_fi／M_i；

當控制系統受到上述忽略的系統參數變化、外界擾動及非線性摩擦力的干擾時，此時的動態方程應為：

d··i(t)=(Ani+ΔAi)d·i(t)+(Bni+ΔBi)ui+(Cni+ΔCi)Fi=Anid·i(t)+Bniui+Hi---(4)]]>

式中，C_ni=-1／M_i，ΔA_i，ΔB_i和ΔC_i為系統參數M_i和B_i所引起的不確定量，H_i為集總不確定項，其定義如下

Hi=ΔAid·i(t)+ΔBiui+(Cni+ΔCi)Fi---(5)]]>

這里，假設集總不確定項有界，即|H_i|≤ρ_i，其中，ρ_i為一給定的正常數；

步驟3.2：根據步驟2中檢測的實際位置，計算系統跟蹤誤差e_i，通過跟蹤誤差，利用交叉耦合控制進行解耦，計算得到混合誤差；

同時考慮每個軸的位置跟蹤和兩軸間的位置同步，首先，定義系統跟蹤誤差e_i為：

e_i=d_m(t)-d_i(t)?????????????(6)

式中，d_i為永磁同步直線電機動子位置，d_m為給定位置；

同步誤差定義為：

ε₁=e₁-e₂，ε₂=e₂-e₁????????????????(7)

式中，ε₁和ε₂分別表示兩個永磁直線同步電機系統的同步誤差，如果上式所表示的同步誤差為零，則就達到了控制的目的，以矩陣形式表示，上式可表示為：

ϵ1ϵ2=TE=1-1-11e1e2---(8)]]>

式中，E=e1e2T,T=1-1-11]]>表示同步轉換矩陣，為了確保跟蹤誤差和同步誤差同時收斂到零，引入混合誤差E_h，混合誤差結合了跟蹤誤差和同步誤差，其定義式為：

Eh=e1e2+βϵ1ϵ2---(9)]]>

式中，E_h=[e_h1?e_h2]^T，e_h1、e_h2分別表示每臺永磁直線同步電機的混合誤差，β是一個正的耦合參數，將式(8)代入式(9)中，可得到下式：

E_h=(I+βT)E???????????(10)

式中，I為單位矩陣，(I+βT)為正定矩陣；

步驟3.3：根據步驟3.2的混合誤差，作為互補滑模控制器的輸入信號，設計互補滑模變結構控制器，建立廣義滑模面s_g和互補滑模面s_c，確定兩個滑模面關系，得出控制率；

廣義滑模面s_gi定義如下：

sgi=(ddt+λi)2∫0tehi(τ)dτ=e·hi+2λiehi+λi2∫0tehi(τ)dτ---(11)]]>

式中，λ_i為一正常數，對上式求一階導數，結合式(4)可得

s·gi=e··hi+2λie·hi+λi2ehi=(e··i+βϵ··i)+2λie·hi+λi2ehi=[d··m(t)-d··i(t)]+βϵ··i+2λie·hi+λi2ehi=[d··m(t)-Anid·i(t)-Bniui-Hi]+βϵ··i+2λie·hi+λi2ehi---(12)]]>

定義互補滑模變結構控制方法的第二個滑模面，即互補滑模面s_ci，表達式為：

sci=(ddt+λi)(ddt-λi)∫0tehi(τ)dτ=e·hi-λi2∫0tehi(τ)dτ---(13)]]>

對應于同一正常數λ_i，根據廣義滑動面s_gi和互補滑動面s_ci得到滑動面總和σ_i，公式如下：

σi(t)=sgi+sci=2(e·hi+λehi)---(14)]]>

確定廣義滑動面s_g和互補滑動面s_c的關系為

s·ci+λσi(t)=s·gi---(15)]]>

則可得到互補滑模變結構控制率，即雙永磁直線同步電機的控制電流，包含滑模等效控制部分u_eqi和滑模切換控制部分u_vi，其具體表示為：

u=u_eqi+u_vi????????????????????(16)

ueqi=1Bni[d··m(t)-Anid·i(t)+βϵ··i+λi(2e·hi+λiehi+sgi)]---(17)]]>

uvi=1Bni[ρisat(sgi+sciΦi)]---(18)]]>

式中，Φ_i為邊界層厚度，sat(·)表示飽和函數，飽和函數表示如下：

sat(sgi+sciΦi)=1sgi+sci≥Φisgi+sciΦi-Φi<sgi+sci<Φi-1sgi+sci≤-Φi---(19)]]>

步驟4：DSP產生相應的兩組六路PWM脈沖信號，分別驅動雙直線電機運行。

通過光電隔離驅動電路將DSP輸出的PWM信號轉換成驅動信號，固定的220V三相交流電經整流濾波電路后，變為穩定的直流電送至IPM，IPM根據DSP產生的六路PWM脈沖信號來控制IPM逆變電路中六個IGBT的導通與關斷，得到滿足需要的三相交流電，驅動兩套永磁直線同步電機，實現雙直線電機伺服系統的同步控制，進而驅動龍門數控銑床實現加工。