高响应直线电机控制系统的研究

核心提示：　　高响应直线电机控制系统的研究谢经明，程立，艾武，杜志强，陈幼平，周德（华中科技大学，湖北武汉430074）了直线电机的数学模型。在此基础上，提出采用PC+DSP的控制系统硬件结构，以及PID控制软

　　高响应直线电机控制系统的研究谢经明，程立，艾武，杜志强，陈幼平，周德（华中科技大学，湖北武汉430074）了直线电机的数学模型。在此基础上，提出采用PC+DSP的控制系统硬件结构，以及PID控制软件方法。通过仿真和，电机运动轴和杯套固定在一起，杯套上缠绕有线圈，线圈置于永磁体产生的磁场中，当线圈中通有电流时，根据左手定则即可判定杯套和轴的运动方向，要改变轴的运动方向，只要改变线圈中的电流方向即可。在杯套的两侧都装有弹簧，且弹簧的两端都固定。这样在轴运动时既受到磁场力又受到弹簧力，同时还应考虑运动轴与固定机座之间的摩擦力。因此可知电机运动时动力学方程为：L――线圈绕组的有效长度K――弹簧的弹性系数f――轴运动时和机座之间的摩擦力m动子（杯套、线圈以及运动轴）的质量当线圈在磁场中运动时会产生感生电动势，则由电压平衡关系有：V――轴的运动速度即线圈切割磁力线的速度R绕组电阻La――线圈的电感要使直线电机作高速往复运动，就必须给它施加周期性的外力。由于控制算法采用的是PID算法，对于PID算法来说，并不需要模型很精确，因此在下面的分析中不考虑摩擦力，以使问题简化。为使运动平稳，最好施加成正弦或余弦变化的力，称为策动力。设策动力为Hcos叫，则当轴作高速往复运动时，动子作受迫振动。物体作受迫振动的微分方程为：阻尼系数策动力的最大值，称为力幅w――策动力变化的角频率=H，由于摩擦系数很小，在此忽略摩擦力。则可得（式的解为：将（）式代入（3）式，可得处于稳定状态的受迫振动的振幅为：由此可见，对于受迫震动来说，其振幅与加在其上的策动力的最大值成正比。由于任一弹簧-振子系统都有其固定的固有频率，要想使其在外加策动力的作用下达到需要的频率t就应该给它施加频率也为⑴的策动力。

　　2伺服控制系统作相应处理。同时DSP板还通过串行通信接口模块（SCI）与PC机的串口连接，这样可以通过PC机上的控制界面输出命令和参数到DSP板来对电机进行控制；EP引脚用于接收来自光栅尺的正交编码脉冲信号，它是以DSP的通用定时器T2作为时基的，可以对输入的脉冲进行加或减记数，而记数的加减取决于光栅尺的移动方向，如果朝一个方向为加记数，则另一个方向则为减记数。隔离电路主要用于将DSP板和驱动部分通过光电耦合器隔离起来，防止驱动部分对控制部分的干扰和高电压进入控制板而导致DSP板的损坏。

　　2.2控制策略在电机的运动控制中，主要实现2种操作：精确定位（点动）和往复运动。其中精确定位是以PID算法来实现，由（1）式可知，位移x由电磁力BLi推动动子运动而产生，而BL为常数，所以也就是由流过电机绕组线圈的电流决定。以给定位移s和实际位移x的差值作为PID算法的输入，经控制板（此处为DSP板）处理后由DA口输出一定电压经隔离电路处理后输入功率放大器，功率放大器自身带有电流环，它接收到从DSP板的DA口输出的电压后输出一定电流来驱动电机运动，直到运动到指定的位置（在给定的误差范围之内）DA口只能输出正向电压，经隔离电路后变为双极性电压，且满足关系为：U=2.5―2Vda淇中U为驱动器经隔离电路后的输出电压，Vda为DA口输出电压）。这就是实现电机精确定位运动的控制方案。

　　为实现电机一定频率的往复运动，并达到给定的振幅，可以先在电机绕组线圈中通以一成余弦变化的电流，其频率即为要求电机运动达到的频率。则由上面的分析可知电机的电磁力也是成余弦变化的，即加在电机上的策动力的频率为要求电机运动达到的频率。因而电机的动子做受迫振动，其振动频率为所要求的频率。为使动子运动在某一位置的一侧（经常是零位），应在零位电压上叠加一取值均为正或负的包含正弦分量的电压。在这里电机的接线是当电压减小时，电机轴往外运动，大时往里运动。设A电机在零位时的DA口输出电压为V*，则当要电机往外运动时需在DA口输出电压为：度口是12位的，可输出值的变化范围为0~4095（对应于0~5V），因此还应满足0　　控制算法采用量式数字PID算法，对于PID控制的一个重要环节是控制参数Kp、Ti、Td的确定。在对电机特别是高频响的直线电机的控制中，首先要求系统是稳定的，在给定值变化时，被控量应能迅速、平稳地跟踪，且超调量要小叶云岳。直线电机原理与应用。北京：机械工业出王言福。大学物理。北京：国防科技大学出版社，王晓明。电动机的单片机控制。北京：北京航空航天大学出版社，2002.艾武，程立，杜志强，陈幼平。基于DSP的直线电机位置检测与控制技术。机械与电子，2004（2）：9一学机械科学与工程学院讲师博士，研究方向为数控技术。网络控制和智能控制。

　　高精铝板带项目由汉江集团公司新建的高精铝板带项目，拟建地点初步选定在武汉汉阳经济技术开发区，投资总额达到114 000万元。生产规模为年产8万吨高精铝板带，采用进口单机架双卷取热轧机供坯和进口冷轧机精轧。主要产品为1XXX、3XXX、5XX X系列0.10~3.0mm的铝板带材。主要有熔铝炉、保温炉、铸造机、在线式铝熔炼净化装置、铸锭铣削机、加热炉，热粗轧+4机架热连轧机等关键设备。根据市场需求，计划年产散热器复合箔0. 5万吨、建筑装饰板2.5万吨、印刷用PS版基板1.5万吨、双零铝箔坯料2. 5万吨，其它板带材1万吨。