直线电机控制系统中电流环的优化设计

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1、应用设计 Application Design电&技术 1rr.hnoj.ck.v直线电机控制系统中电流环的优化设计孙洁栾忠权(北京信息科技大学,机电工程学院)摘 要：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经过实际运行，证明所采用的方案和控制策咯具备离精度易控制等特点， 优化了电机控制系统.关键词：直线电机；空间矢量脉宽调制；逆变器；死区补偿Optimal Design of Current Loop for Li

2、near Motors Control SystemSun Jie Luan Zhongquan(Beijing Information Science & Technology University)Abstract:Analyze the control principle of linear motor, design the software and hardware scheme of current loop i, study the control strategy base on SVPWM, and do some research to keep the force rip

3、ple of load motor and compensate death-time in motor inverter. At last, the software realization plan about current loop was focused on. The results show that the proposed method and control strategy have the characteristics of high accuracy and easy to control which can optimize the control system

4、of linear motor.Key words:linear motor; space vector pulse width modulation(SVPWM): inverter; dead-time compensation万方数据应用设计 Application Design万方数据应用设计 Application Design图I SVPW件馆构图SVP刑控制技术可明显减少逆变器输出电流的谐波图2电结枸成分，减小脉动矩，易于数字化实现，在电机控制领域0引言直接驱动方式消除了机械运动变换机构带来的一系 列不良影响.在高精度快响应的伺服系统中具有非常明 显的优势，但是直驱技术还不成熟，

5、针对直线电机的具 体特点，研究更加有效的控制方法，抑制推力波动以及 减少逆变器死区产生的形响成为直线电机的发展趋势.TI公司的TMS320F2812 DSP具有更完备的外围控制接 口和更丰富的电机控制外设电路.它的事件管理器(EV) 含有硬件SVPWM产生电路.产生SVPWM具有硬件结构简单. 控制精度高，实时性强，软件編程容易等优点成为直缄电 机控制系统的核心.直线电机控制策略同交流永磁同步 电机一样，主要采用三闭环控制，位置环.速度环和电 流环.其中电流控制环是一个内环,SVPWM控制算法的实 现主要集中在电流环上.在一个电流环周期内需完成反 馈电流的采样.电压死区补偿和输出电压等运算.它

6、的 性能指标好坏，特别是动态特性，将全面形响速度环和位 置环，从而影响整个伺服系统.1 DSP2812电流环控制结构在电机变频调速中，脉宽调制技术已经得到了广泛 的应用.而空间矢量脉宽调制(SVPVM)方法与经典的脉宽 调制方法相比，具有直流电压利用率高、控制简单、损 耗较小便于数字化方案实现等优点，广泛应用衽电机 控制中.以TMS320F28L2为核心的SVPWM硬件结构如图1所示*图1 SYPWM硬件结构图(参见下栏)直线电机电流通过霍尔元件检测，进入DSP中，经 A/D转换作为电流环的输入.电流环的控制算法采用PI, SVPfM(Space Vector PWM). PI为经典的比例积分

7、控制，万方数据应用设计 Application Design万方数据应用设计 Application Design电&技术El ECTRONIC TECHNOLOGY万方数据应用设计 Application Design万方数据应用设计 Application Design得到广泛应用.电流环结构如图2所示：检测电流经过 clarke变换、pake变换、逆Clarke变换，作用于逆变器 产生正弦波形。2电流环的控制策略在直线电机中高速和高精度这两项要求必须同时满足 要求。由于对直线电机的控制要求较高，必须采取有效 的控制策略。直线电机的非线性、耦合性、动子质51和 粘性縻擦系数的变化、负敎的扰

8、动、电源的波动等等， 特别是端部效应引起的推力变化等都增加了控制的难度。 在电流环的设计中，重点进行推力波动补偿和克服死区 影响的研究。2.1直线电机的推力波动补偿对推力波动补偿的方法有多种，可以采用先进的控 制算法，如模糊控制、滑模控制等，也可针对推力波动 建立模型进行单独补偿。推力波动的补偿需建立其数学 模型，大致有解析法、有限元分析计算法、实验法三种 建模方式。其中有限元分析法较为常用，有限元分析计 算法是利用ANSYS等有限元分析工具进行计算，对直线电 机进行有限元分析计算，得到电机的推力波动曲线。因为 所需精确控制的直驱电机在试验平台中作为负我系统， 因此我们选用有限元分析建模，然后

9、将所建模型转化成 补偿表，构成具有査表补偿功能的控制系统。在电机控 制器的软件设计中加入前馈补偿器，负载系统稳定的效 果将较为显著。2.2直线电机的死区补偿在电压型脉宽调制(PWM)逆变电路中,为避免同一桥 臂上的开关器件的直通,必须插入死区时间.然而，死区 效应是影响逆变耕电压和电流输出的重要非线性因素。 对于电机驳动系统而言，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SYPWM波形生成电路和设定好死区时间， 这些因索对电流的控制的影响也足恒定的。本文设计的 是采用F2812的事件管理器生成SVPWM波形的，因此SVP

10、WM 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IGBT器件的死区时间尽疑设定最 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TMS320LF 2812中，死区补偿脉宽可以通过修改 事件管理器EV中的CMPR1、CMPR2来实现.可采用如下补偿方法：找出当前状态所处的矢楚区 间，假设所加入的死区时间为T,然后根据P棚波形图可以 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

11、量可以等效为首矢量与第二矢就的合成 矢燈。即由于死区的形响，矢量作用时间发生变化。找出 相应的吋间值，就可以进行补偿.在其它矢罐区间时， 根据此原则同样可以得到死区补偿的时间3软件实现 、带有死区补偿的电流环控制程序流程图3所示:田3蒂死区补偿的电流环软件流程图电流环的调节频率是8K(125us),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.TlPINT=&EvaTimerlP_ISR;系统初始化函数void InitEv(void),设置T1周期定为 500us, T1的控制寄存器，比较使能，定时

12、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。void InitEv(void)EvaRegs. T1PR二OxOBEBB;EvaRegs. T1CON.al1=0x0842; EvaRegs.T1CMPR= 0x3c00;EvaRegs. ACTRA. al 1=0x666; EvaRegs. TlCNT=OxOOOO;EvaRegs. DBTCONA. all=0x088f;EvaRegs. COMCONA = 0xA600;程序中clarke变换、pake变换、PI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

13、间值自动蕙新装载，便 输出的PWM波形占空比发生变化。装载语句如下：EvaRegs. CMPR1=T1+Tdl;EvaRegs. CMPR2=T1+T2+Td2;EvaRegs. ACTRA. all&=0x0fff;EvaRegs. ACTRA. all|=(SVDIR 15)+(vector 12); 图4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.图4死区补偿后的电流波形(参见下页)由上图可以看出，加入了死区补偿的电流环能够有效 改裨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.4结束语万方数据应用设计 Application Desi

14、gn电&技术ELECTRONIC TFCHNOJ.OGY万方数据63应用设计 Application Design万方数据63应用设计 Application Design的DSP芯片对SVPWM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耍求.参考文献：1陈荣,严仰光交流永磁伺服系统控制策略研究 J.电机与控制学报，2004. (3): 205- 208 许嘉腌，徐国卿，康劲松.基于永磁同步电机的 SVPWM

15、死区分析与补偿.电气传动,2007. 37(02): 29-3131许嘉吨，徐国卿，康劲松.基于永磁同步电机的 SVPWM死区分析与补偿.电气传动，2007. 37(02): 29-314 王成元，夏加宽,杨俊友，孙宜标.电机现代控制 技术M北京：机械工业出版社,20065 赵希梅，郭庆鼎.基于学习前馈补偿的直线伺服 系统鲁棒跟踪控制电工技术学报， 2005. (04)作者简介：孙洁(1983-),女，2006年毕业于石油大学自动化系， 获得学士学位，现为北京信息科技大学机械设计及理论 专业在读硕士研究生，主要从事电机控制方面的研究。左手材料理论及其应用张永刚(安徽理工大学，电气与信息工程学院

16、)摘要：左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负 值的人工材料，这种材料具有负群速度、负折射率、逆 多普勒效应和完美成像等多种奇特的物理性质.叙述了 左手材料的概念和基本原理，简单回顾了左手材料研究 的发展历程，介绍了左手材料的应用及其发展前景关键词：左手材料;负折射;逆多普勒效应Research Progress in Left-handed MaterialsZhang Yong-gang(School of Electrical and Information Engineering, AnhuiUniversity of Science and Technology)Abstract:

17、Left-handed materials are new materials with negative dielectric constant and negative magnetic permeability. They have many Unique properties such as negative group velocity, negative refractive index, inverse Doppler effect, perfect lens and so on. The concept and basic principles of Left-handed m

18、aterials are introduced, a review on the advance of these materials is maked, the applications and its applied Prospects in related fields is introduced at last.Key words:Left-handed materials(LHMs): negative refractive;inverse Doppler effect0引言在自然界中，介质的介电常数和磯导率是描述物 质基本电碱性质的两个重要参数，这两个参数决定着电 磁波的传播特性.

19、当介质的介电常数和磁导率都为正值 时，根据电磁波理论可知介质中的电场、磁场和电磁波 传播常数(E、H、*)三者之间构成右手螺旋关系，所以这类 物质被称为右手材料(right-handed materials, RHMs) 这种右手螺旋关系一直被认为是物质世界的常规，迄今 为止在自然界中见到物质的都是右手材料.本世纪以来一种被祢为左手材料(left-handed materials, LHMs)人工复合材料被研制成功，引起了众多 研究者的广泛兴趣.左手材料是指介电常数和磁导率同 时为负数的材料，在这种介质中，电场、磁场和电磁波 传播常数三者之间构成左手螺旋关系，这一点与右手材 料截然不同.左手材料也被称作负折射系数材料、异向 材料或双负材料.这种材料有很多奇特的物理特性，它 在应用电磁学、材料科学、光学和固体物理学领域内获 得了愈来愈广泛的青睐，对其的研究也在迅速发展并取 得了很多进展，引起了很大的轰动.左手材料的研究在 2003年进展被美国(科学杂志评为年度全球十大科学 进展之一.1左手材料理论万方数据63