摘要 隨著數(shù)字控制技術(shù)的迸一步發(fā)展和平面電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用上的要求提高，傳 統(tǒng)的使用單片機(jī)來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，已經(jīng)不能滿足對平面電機(jī)工作速 度和精度的進(jìn)一步要求，迫使選用一些新的方法和新的技術(shù)來對原有的方案進(jìn) 行改進(jìn)。 本文設(shè)計(jì)了基于d s p 的永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的 核心是一塊伺服運(yùn)動(dòng)控制卡。該運(yùn)動(dòng)控制卡是以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 為核 心芯片，實(shí)現(xiàn)檢測反饋信號和數(shù)據(jù)處理，并通過s c i 總線接收來上位p c 機(jī)的控 制指令，實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)的p i d 控制和位置環(huán)的預(yù)測控制。 根據(jù)永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了永磁平面電機(jī)的數(shù)學(xué)模型， 分析了永磁平面電機(jī)的工作原理，描述了開放式控制系統(tǒng)的總體框架。重點(diǎn)設(shè) 計(jì)了系統(tǒng)的硬件組成：針對系統(tǒng)核心芯片的選型，設(shè)計(jì)了d s p 控制電路及其輔 助電路，包括模擬輸入與輸出電路、p c 機(jī)與d s p 的通訊電路、擴(kuò)展r a m 電路等； 針對永磁平面電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電機(jī)的功率主電路，并設(shè)計(jì)了主回路保護(hù)及 制動(dòng)電路；考慮到本系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了檢測反饋電路，實(shí)現(xiàn)對電流、速度和 位置的實(shí)時(shí)檢測；另外，還設(shè)計(jì)了電源電路。完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，利用c 語言編寫了控制系統(tǒng)的初始化程序和中斷程序，并利用c c s 軟件進(jìn)行了編譯。 最后，對控制算法進(jìn)行了研究。依據(jù)永磁平面電機(jī)位置精度的要求，應(yīng)用 了預(yù)測控制算法，通過不斷在線滾動(dòng)優(yōu)化，將實(shí)測系統(tǒng)輸出與預(yù)測模型輸出的 誤差來進(jìn)行反饋校正，在一定程度上克服由于預(yù)測模型誤差和某些不確定性干 擾等的影響，使系統(tǒng)的魯棒性得到增強(qiáng)。通過m a t l a b 仿真表明，預(yù)測控制算法 具有良好的動(dòng)態(tài)特性。 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器，永磁平面電機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制，預(yù)測控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di m p r o v i n go fp l a n a r m o t o ri nt h ei n d u s t r y , t r a d i t i o n a lm o t i o ns y s t e mw h i c hu s e ds i n g l e - c h i pi np l a n a r m o t o r se q u i p m e n ta l r e a d yc o u l d n tb ef i tt on e wm e e t sw h i c hw e r ei nt h ev e l o c i t ya n d p r e c i s i o n t h a tf o r c e dt om e n d i tb yu s i n gs o m en e ww a y sa n dn e wt e c h n o l o g i e s t h i sd i s s e r t a t i o ne x p o u n d e dt h em o t i o ns y s t e mo nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri n d e t a i l t h ec o r eo ft h em o t i o ns y s t e mw a ss e r v o m o t i o nc o n t r o l l e r t h i sc o n t r o l l e r s c o r ec h i pw a st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft ic o m p a n ya n dd e a l tw i t hf e e d b a c ks i g n a l t h r o u g hd e t e c t i o n t h ec o n t r o l l e rt o o ko v e rs t a t e m e n tf r o mt h ep cb ys c ib u sa n d r e a c h e dt oc o n t r o lc u r r e n tl o o pb yp i da n dp o s i t i o nl o o pt h r o u g hp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fap e r m a n e n tm a g n e tp l a n a r m o t o rw i t hf e a t u r e so fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e dp e r m a n e n tm a g n e tp l a n a r m o t o ro p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dp r o p o s e do v e r a l ld e s i g no fo p e n - s y s t e m i nt h e d i s s e r t a t i o n ，h a r d w a r ec o m p o n e n t so fs y s t e mw e r es t r e s s e d t h es y s t e mc i r c u i to f s y s t e mb yt y p e so fc h i p sw e r ec o n f o r m e d ，i n c l u d i n gd a , a d ，c o m m u n i c a t i o n b e t w e e np ca n dd s p , c i r c u i to fe x p a n d e dr a ma n ds oo n i ti d e n t i f i e dm a i nc i r c u i t o ft h ee l e c t r i c a lp o w e r , a n dp u tf o r w a r dt h em a i np r o t e c t i o nc i r c u i ta n db r a k ec i r c u i t b a s i so nc h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a n e n tm a g n e tm o t o rp l a n e t w ot y p e so fs e n s o r sa l s o w e r eu s e dt oc o n t r o lo b j e c ts i g n a lt a k i n gi n t oa c c o u n to fr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m h a l ls e n s o rw a su s e dt od e t e c tt h ee l e c t r i c a lt h r e e p h a s ec u r r e n ta n dd u a l - b a n dl a s e r i n t e r f e r o m e t e rw a su s e df o rp o s i t i o ns i g n a la c q u i s i t i o no fm o t o r i nt h ep a r to f s o f t w a r ed e s i g n ，i n i t i a l i z a t i o n p r o c e d u r e sa n di n t e r r u p tp r o c e d u r e so ft h ec o n t r o l s y s t e mw e r ep r o g r a m m e db ycl a n g u a g ea n d i tw a sc o m p i l e db yc c ss o f t w a r e c o n t r o la l g o r i t h mw a sr e s e a r c h e d b a s i so nt h ep o s i t i o n a la c c u r a c yo ft h e r e q u e s to fp e r m a n e n tm a g n e tp l a n a rm o t o r , p r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mw a sp r o p o s e d s y s t e mo u t p u tw o u l db em e a s u r e da n df o r e c a s t e dm o d e lo u t p u tf e e d b a c kt ot h ee r r o r t h r o u g hc o n t i n u o u so n l i n er o l l i n go p t i m i z a t i o n t oac e r t a i ne x t e n t ，i to v e r c o m et h e p r e d i c t i o nm o d e le r r o ra n dd i dn o tu n c e r t a i no fe f f e c t so ni n t e r f e r e n c ea n ds t r e n g l 【h e n t h er o b u s t n e s so ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o no fp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mt h r o u g h m a t l a bs o f t w a r ew a sp r o v e dt ob eag o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c n k e yw o r d s ：d s p ，p e r m a n e n t - m a g n e tp l a n a rm o t o r s ，m o t i o nc o n t r o l ，p r e d i c t i v e c o n t r o l i i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 課題提出的目的和意義 進(jìn)入信息時(shí)代的2 l 世紀(jì)，微電子技術(shù)仍然是信息產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)支撐之一。 2 0 世紀(jì)，m o s 集成電路已成為微電子產(chǎn)業(yè)的核心，它在向高集成度和低成本方 向發(fā)展的過程中，遵循著i n t e l 公司創(chuàng)始人之一g o r d o ne i o o r e 預(yù)言的發(fā)展 規(guī)律，即：集成電路的集成度每三年增長4 倍，特征尺寸每三年縮小2 倍( 摩爾 定律) 。這一預(yù)言的實(shí)現(xiàn)和持續(xù)，帶動(dòng)了光刻機(jī)等精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備的 不斷革命。 傳統(tǒng)的二維平面定位裝置由兩組旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)疊加 而成。由于直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)( 一般為絲桿一螺母機(jī)構(gòu)) 存在摩擦、側(cè)隙、變形等 一系列問題，傳統(tǒng)定位裝置的精度很難達(dá)到較高的水平。此外，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 中的兩套傳動(dòng)鏈上的各運(yùn)動(dòng)部件的附加質(zhì)量，也妨礙了定位裝置的工作臺運(yùn)動(dòng) 響應(yīng)速度的提高。正因?yàn)榇嬖谏鲜鰡栴}，傳統(tǒng)二維平面定位裝置在光刻機(jī)等精 密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中應(yīng)用很少。 近1 0 年來，隨著直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品的迅速發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)開始在二 維平面定位裝置中獲得應(yīng)用。由于不存在傳統(tǒng)定位裝置中存在的摩擦、側(cè)隙、 變形等影響運(yùn)動(dòng)精度的不利因素，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的平面定位裝置的精度有了 很大提高。但是，這種定位裝置仍然未擺脫“低維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)疊加成高維運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)”的模式，對于底層直線電動(dòng)機(jī)而言，頂層驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其相關(guān)機(jī)械連接件的 總質(zhì)量，仍然是一個(gè)很大的“負(fù)擔(dān)”。如果采用平面電動(dòng)機(jī)來直接驅(qū)動(dòng)平面定位 裝置中的工作臺，那么上述問題可以較好地解決。此時(shí)，平面電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子與 工作臺直接相連，動(dòng)子將電動(dòng)機(jī)的二維電磁推力直接傳遞給工作臺。 平面電動(dòng)機(jī)直接利用電磁能產(chǎn)生平面運(yùn)動(dòng)，具有出力密度高、低熱耗、高 精度的特點(diǎn)，因省去了從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)再到平面運(yùn)動(dòng)的中間轉(zhuǎn)換裝置， 可把控制對象同電機(jī)做成一體化結(jié)構(gòu)，具有反應(yīng)快、靈敏度高、隨動(dòng)性好及結(jié) 構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。 由于采用直接驅(qū)動(dòng)方式，中間沒有緩沖環(huán)節(jié)，系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 不確定因素的影響將直接反映到直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性中，加之平 面電動(dòng)機(jī)所固有的電磁耦合端非線性特性，平面電動(dòng)機(jī)在兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的耦 合以及端部效應(yīng)和齒槽效應(yīng)對電磁推力平穩(wěn)性的影響，會損害系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn) 性和降低定位精度，因此必須采取適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)以減小這些參數(shù)變化和外部 擾動(dòng)所帶來的影響，使其能夠應(yīng)用于高速和高定位精度的場合。 d s p 為許多先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了高效的實(shí)現(xiàn)方法，它已經(jīng)被廣泛 的應(yīng)用于各種電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制中，比如異步交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制、電 壓空間矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制；無刷直流電機(jī)的變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制，無 位置傳感器控制、基于d s p 和c p l d 的步進(jìn)電機(jī)控制等。 d s p 在電機(jī)控制中的應(yīng)用具體表現(xiàn)在以下方面： 1 ) 信號處理。對系統(tǒng)的輸入和反饋信號進(jìn)行濾波處理，從而減弱了對傳感 器的要求。 2 ) 控制策略的實(shí)現(xiàn)。d s p 能實(shí)時(shí)、高效地實(shí)現(xiàn)許多諸如標(biāo)量、矢量、自適 應(yīng)多變量、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等先進(jìn)控制算法。 3 ) 脈寬調(diào)制。d s p 能方便、靈活、可靠地生成多種p 刪波形，。便于電機(jī)的 高效驅(qū)動(dòng)，改善系統(tǒng)功率因數(shù)，消除諧波。 4 ) 與上位機(jī)通信。d s p 通過自帶的串行外設(shè)通信模塊可以與上位機(jī)通信。 電機(jī)所有的運(yùn)行參數(shù)都可以上傳至上位機(jī)，這樣用戶可以通過顯示器終端來對 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 5 ) 故障檢測與保護(hù)。d s p 對電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行采樣，并與限定 值比較，若超標(biāo)則表明發(fā)生故障，進(jìn)行故障保護(hù)和顯示。 采用d s p 芯片為核心控制器來構(gòu)造平面電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)軟硬件采用 模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留端口資源豐富，因此使用靈活，同時(shí)便于擴(kuò)展和升級。在不 改變硬件的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)實(shí)際需要來改變參數(shù)，達(dá)到高速高精度定位的要 求。 1 2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 與其他類型電動(dòng)機(jī)一樣，平面電動(dòng)機(jī)( p l a n a rm o t o r ) 由定子、動(dòng)子和支承 等部分組成。在支承的限制和電磁推力的作用下，平面電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子能夠帶動(dòng) 負(fù)載產(chǎn)生兩維的直線運(yùn)動(dòng)。 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 根據(jù)電磁推力的產(chǎn)生原理，可將平面電動(dòng)機(jī)劃分為變磁阻型、永磁同步型 和感應(yīng)型三類n 1 。三類電動(dòng)機(jī)電磁推力的產(chǎn)生原理分別與同類型的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的 電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理相似，實(shí)際上，各種類型平面電動(dòng)機(jī)的提出與同類型的旋轉(zhuǎn) 電動(dòng)機(jī)不無淵源關(guān)系。上述三類平面電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)平面電動(dòng)機(jī)的研究尚處于 初級階段，研究活動(dòng)較少，且主要集中在日本。變磁阻平面電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過前二、 三十年的研究和開發(fā)，目前已經(jīng)有進(jìn)入初步的產(chǎn)品化階段。雖然這種平面電動(dòng) 機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)點(diǎn)，但是，它存在推力波動(dòng)大、定位精度低、 動(dòng)定子之間吸力大、磁路飽和嚴(yán)重、發(fā)熱量大等諸多問題，因此，其應(yīng)用檔次 難以進(jìn)一步提高。永磁同步型平面電動(dòng)機(jī)( s y n c h r o n o u sp e r m a n e n t m a g n e tp l a n a r m o t o r s ，簡稱s p m p m ) 是近期研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。由于其在結(jié)構(gòu)、控制精度、 損耗等方面具有良好的綜合性能，它在光刻機(jī)等現(xiàn)代精密、超精密制造裝備中 具有巨大的應(yīng)用潛力，引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛興趣。 早先的平面電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于平面繪圖儀中嘲，因此對平面電動(dòng)機(jī)的推力、 定位精度、承載能力等性能指標(biāo)要求不高。后來，人們逐漸考慮將平面電動(dòng)機(jī) 應(yīng)用于光刻機(jī)等精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中，于是，對平面電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)指 標(biāo)和綜合性能提出了較高的要求，如運(yùn)動(dòng)精度、支承特性、溫度場特性、推力 波動(dòng)等。因此，平面電動(dòng)機(jī)在精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備的應(yīng)用方面，至今還 沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。 由于平面電動(dòng)機(jī)在二維平面定位裝置( p o s i t i o n i n gd e v i c e ) 特別是精密二 維平面定位裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景，平面電動(dòng)機(jī)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的 廣泛關(guān)注。近十幾年來，在權(quán)威期刊和國際會議上，不時(shí)有與平面電動(dòng)機(jī)相關(guān) 的文章出現(xiàn)，有些知名大學(xué)( 如麻省理工學(xué)院) 在平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行 了卓有成效的研究網(wǎng)。目前，國際上已經(jīng)有許多涉及平面電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用的專利 公布，其中日本n i k o n 公司的美國專利就有十幾項(xiàng)h 1 。此外，某些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)公司 還推出了相關(guān)的平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。 目前，已經(jīng)有少數(shù)廠商生產(chǎn)了平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。例如，日本的橫河電株式 會社推出了p l a n e s e r v 系列平面電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)指標(biāo)為：最大速度0 5 m s ； 定位精度l u r e ：最大推力1 5 0 n ：運(yùn)動(dòng)范圍5 0 0 眥r n x5 0 0 m m ；容許回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩1 5 n 。 臺灣上銀( h i w l n ) 科技股份有限公司生產(chǎn)了兩款混合式平面步進(jìn)( 變磁阻) 電動(dòng) 機(jī)，其型號分別為l m s p x l 和l m s p x 2 。它們的分辨率為l u m ，最大速度為0 9 m s 和0 8 m s ，最大推力為7 5 n 和1 4 0 n ，最大承載為1 4 k g 和2 8 k g ，最大定子尺寸為 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 0 0 0 m mx6 0 0 m m 。 近年來，國內(nèi)的西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校也開始了對平面電動(dòng) 機(jī)的研究，有些科研院所還獲得了政府研究基金的資助畸1 。隨著研究工作的展開， 國內(nèi)刊物上已經(jīng)開始出現(xiàn)了一些與平面電動(dòng)機(jī)相關(guān)的文章1 。但是，由于我國在 平面電動(dòng)機(jī)方面的研究起步較晚，同時(shí)，受到國內(nèi)精密、超精密加工設(shè)備技術(shù) 和產(chǎn)業(yè)落后，平面電動(dòng)機(jī)研究缺乏需求推動(dòng)力因素的影響，我國在平面電動(dòng)機(jī) 方面的研究總體而言，力度不夠，水平不高。 目前的平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品仍處于初級發(fā)展階段，品種單一、性能較低、檔次 不高的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代加工設(shè)備對平面電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)大需求。在未來一段 時(shí)間，隨著平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷完善，平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的種類將不斷增加、 型號將不斷豐富、性能將不斷提高、數(shù)字化程度將不斷完善。 1 3 課題完成的主要任務(wù) 在現(xiàn)代半導(dǎo)體加工裝備及其它微細(xì)精密加工設(shè)備中，工作臺通常采用長短 行程與粗微復(fù)合主從式結(jié)構(gòu)，其大行程運(yùn)動(dòng)由直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)，而高精度運(yùn)動(dòng)則 由超精密平面電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 半導(dǎo)體前道加工裝備領(lǐng)域中，平面電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度要求達(dá)到亞微米級甚至 納米級，僅靠提高機(jī)械部件與電氣執(zhí)行部件自身精度代價(jià)高昂且難以實(shí)現(xiàn)，須 由軟件修正以提高其精度。因此，應(yīng)結(jié)合具體所使用的平面電機(jī)，了解其結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)、工作原理及相應(yīng)的控制技術(shù)，需深入分析平面電機(jī)系統(tǒng)特性及其影響因 素，研究相應(yīng)的補(bǔ)償策略與方法。解耦平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)力的非線性 及消除平面電機(jī)的垂向耦合，實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)的超精密定位運(yùn)動(dòng)。 針對平面電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代加工裝備特別是精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中的應(yīng) 用問題，研究工作主要圍繞微動(dòng)臺設(shè)計(jì)、支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng) 隔離等方面展開。 平面電動(dòng)機(jī)分析與設(shè)計(jì)的具體研究內(nèi)容主要包括：永磁磁場分析、電磁力 計(jì)算、損耗分析、電磁參數(shù)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究等n 3 。其目的在于比較不 同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣、分析計(jì)算電動(dòng)機(jī)的有關(guān)性能指標(biāo)、優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 和電氣參數(shù)等睛1 。 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 本論文的工作內(nèi)容 本論文通過分析平面電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了永磁平面電 動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類，研究了永磁平面電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其工作原理；比較了幾 種運(yùn)動(dòng)控制平臺，提出了永磁平面電機(jī)的總體方案。采用t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作為核心控制器，設(shè)計(jì)了d s p 控制電路及其輔助電路、功率電路、 檢測反饋電路和電源電路等；完成了基于d s p 的永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì)，利用d s p 高速的運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)反應(yīng)迅速、 定位精度高，具有很好的動(dòng)態(tài)性能；介紹了c c s 軟件及其安裝與配置，完成了 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。建立基于電流控制模式的平面電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型，在 傳統(tǒng)的p i d 控制算法的基礎(chǔ)上，提出將預(yù)測控制思想應(yīng)用于對平面電動(dòng)機(jī)的控 制，并進(jìn)行了仿真。最后，對本文進(jìn)行了總結(jié)與展望。 1 5 本章小結(jié) 本章節(jié)主要介紹了課題研究的目的和意義、國內(nèi)外研究研究現(xiàn)狀、課題研 究的任務(wù)以及本論文的工作內(nèi)容。 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章永磁平面電機(jī)工作原理及其數(shù)學(xué)模型 2 1 永磁平面電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類介紹 永磁平面電動(dòng)機(jī)的電磁推力是永磁陣列產(chǎn)生的磁場與線圈陣列中的電流相 互作用的結(jié)果。永磁陣列和線圈陣列有兩種布置方式，一種是永磁陣列固定在 動(dòng)子上，線圈陣列固定在定子上，另外一種正好與此相反，永磁陣列固定在定 子上，線圈陣列固定在動(dòng)子上。為方便起見，將兩種方式分別稱為永磁運(yùn)動(dòng)式 和線圈運(yùn)動(dòng)式。這兩種方式在運(yùn)行原理上沒有根本的區(qū)別，只是在配件連接、 散熱等問題上具有不同的特點(diǎn)。對于永磁運(yùn)動(dòng)式而言，由于線圈陣列布置于定 子上，動(dòng)子上無電氣連接，且不存在運(yùn)動(dòng)的電氣連線妨礙其他零部件的布置或 工作的情況，系統(tǒng)可靠性得以提高。另外，電動(dòng)機(jī)工作過程中線圈陣列產(chǎn)生的 熱量也較易采取措施進(jìn)行散發(fā)，圖2 - 1 是永磁運(yùn)動(dòng)式永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的一 種結(jié)構(gòu)四1 們。 動(dòng)子基板永磁陣列 圖2 - 1 永磁運(yùn)動(dòng)式永磁平面電動(dòng)機(jī) ( 一) 永磁陣列形式 與旋轉(zhuǎn)式永磁電動(dòng)機(jī)一樣，永磁平面電動(dòng)機(jī)的永磁磁場也存在磁極的空間 變化，只不過這種磁極變化是沿著平面方向展開，而不是沿著圓周方向展開。 根據(jù)與一維永磁陣列之間的關(guān)系，可以將平面電動(dòng)機(jī)中使用的永磁陣列劃 分為兩類。其中一類永磁陣列是由多個(gè)一維永磁陣列在平面上不同區(qū)域上分布 得到，如圖2 - 2 所示。這種永磁陣列對應(yīng)于采用多套直線電動(dòng)機(jī)“集成 方案 的平面電動(dòng)機(jī)。 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s k 3 nsnsnsnn s n s n 3 k g sk 冀nsns k s k 圖2 - 24 個(gè)一維永磁陣列的組合 另外一類永磁陣列由一系列具有軸對稱截面形狀( 正方型、圓形等) 的永磁 體以二維陣列方式排列而成。圖2 3 a d 顯示了它的幾種主要形式( 其永磁體截 面形狀均為正方型) 。圖2 - 3 a 所示的永磁陣列最早由a s a k a w a 在1 9 8 6 年的專利 中提出n ，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：各行或各列由磁化方向一致( 向上或向下) 、等間隔( 極 距) 排開的_ 組永磁體構(gòu)成。在該基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，h a z e l t o n 采取永磁體由四邊 形變成六邊形、陣列邊緣布置“半 永磁體且陣列四角采用“四分之一 永磁 體、永磁體之間增加過渡磁體等措施，提出了其他幾種變化形態(tài)h j l 。圖2 - 3 b 永 磁陣列同樣由a s a k a w a 提出 1 2 , 1 3 9 該永磁陣列具有稀疏排列的特點(diǎn)，即各永磁體 與同行或同列的兩相鄰永磁體之間存在寬度等于極距的間隔。針對該類型永磁 陣列，h a z e l t o n “j 4 1 5 1 和c h o n 們提出了其他幾種變化形態(tài)。圖2 - 3 c 所示具有最緊 密布置的特點(diǎn)，其上的相鄰永磁體之間緊密貼合，且各永磁體的磁化方向與其 四周的永磁體的磁化方向相反。圖2 3 d 所示的永磁陣列由一維h a l b a c h 永磁陣 列發(fā)展而來，與圖2 3 c 的永磁陣列相比，它具有更大的磁通密度( 是圖2 - 3 c 所 示永磁陣列磁通密度的萬倍) 和更高的能量效率( p o w e re f f i c i e n c y ) 。 ( 二) 線圈陣列形式 線圈陣列是產(chǎn)生電磁力的另外一個(gè)重要部分。一般作用在動(dòng)子上的兩相互 垂直的電磁推力是兩組線圈中的電流分別與永磁磁場相互作用的結(jié)果。為了避 免兩方向電磁力之間產(chǎn)生復(fù)雜的耦合問題，陣列中的線圈形狀、尺寸和布置方 式必須結(jié)合永磁陣列的具體形式和結(jié)構(gòu)尺寸來確定。目前，結(jié)合不同的永磁陣 列形式，已經(jīng)有直線形、圓形、橢圓形、正方形、菱形、六邊形等不同形狀的 線圈出現(xiàn)，且它們的布置方式多種多樣。圖2 4 顯示了分別由正方形線圈和六 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 邊形線圈構(gòu)成的兩種線圈陣歹0 。其中，圖2 - 4 b 所示的線圈陣列由6 個(gè)六邊形線 圈層疊構(gòu)成的一系列線圈單元呈矩陣狀排列而成，其特點(diǎn)之一是：分別屬于兩 相鄰線圈單元中的任意兩線圈的有效邊( 長邊) 之間相互垂直，以產(chǎn)生兩相互垂 直的推力。 s s s nnn s ss kn n ss s nnn ( a ) 口 口 0 口 ns nsn s nsns ns ns n snsns ns ns n ( b ) ( c )，t,d) 圖2 - 3 各種形式的永磁陣列 口 口 0l 口i 口i 口id 口 口 口 a 口 口 0 - 一 0 0 _ 一 d ( a ) ( b ) 圖2 - 4 兩種形式的線圈陣列 2 2 永磁平面電機(jī)的工作原理介紹 永磁平面電動(dòng)機(jī)電磁推力的產(chǎn)生原理分別與同類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 產(chǎn)生原理相似，實(shí)際上，各種類型平面電動(dòng)機(jī)的提出與同類型的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不 無淵源。 當(dāng)平面電機(jī)定子的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，會產(chǎn)生氣隙磁場。 不考慮由于鐵芯兩端開斷而引起的縱向端部效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場的分布情況 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，即可以看成沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí) 間變化時(shí)，氣隙磁場將按三相電流相序沿直線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)原理 相似，但二者存在差異：直線電機(jī)的氣隙磁場是沿直線方向平移的，而不是旋 轉(zhuǎn)的，因此，該磁場稱為行波磁場。顯然，行波磁場的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場在 定子內(nèi)圓表面上的線速度v 。( 稱為同步速度) 是一樣的。對于直線永磁同步電機(jī) 來說，永磁體的勵(lì)磁磁場與行波磁場相互作用便會產(chǎn)生電磁推力。在這個(gè)電磁 推力的作用下，由于定子固定不動(dòng)，那么動(dòng)子就會沿行波磁場運(yùn)動(dòng)的相反方向 作直線運(yùn)動(dòng)，其速度為v ，。 大多數(shù)的平面電動(dòng)機(jī)中，線圈布置于氣隙中，氣隙的厚度較大j 線圈電流 對氣隙磁場影響小。因此可以忽略電動(dòng)機(jī)的電樞效應(yīng)，而直接利用永磁磁場自 身的分布規(guī)律及安培力定律對電動(dòng)機(jī)的電磁力大小和方向進(jìn)行分析計(jì)算。雖然 電動(dòng)機(jī)永磁結(jié)構(gòu)和線圈形狀不同，但是平面電動(dòng)機(jī)電磁力的分析使用的基本原 理不變。 針對具有圖2 - 3 a 所示的永磁陣列和圖2 - 4 b 所示的線圈陣列，參考文獻(xiàn) 1 1 和 1 5 分析了產(chǎn)生x ，y 向電磁推力和z 向磁浮力所需的線圈陣列電流分布，并 且認(rèn)為將不同方向電磁力所對應(yīng)的電流分布疊加后，即可產(chǎn)生x 向或y 向電磁 推力與z 向懸浮力的復(fù)合電磁力，其原理如圖2 - 5 所示。圖中，2 0 2 ，2 0 3 和2 0 4 為永磁陣列中的部分永磁體，2 0 9 為圖2 - 4 b 中某線圈單元1 2 根有效邊( 屬于6 個(gè)線圈) 的截面，它們分屬于三相繞組a ，b 和c 。圖中的下半部分為三種電流分 布，其中，i ：為產(chǎn)生z 方向電磁力所對應(yīng)的電流分布，i ，為產(chǎn)生x 方向電磁力所 對應(yīng)的電流分布，而i 。為電流分布i ：和i ，的疊加。若按i 。所顯示的分布規(guī)律， 在線圈陣列通入電流，則在永磁磁場的作用下，線圈陣列即受到x 方向電磁推 力作用，又受到z 方向的電磁懸浮力的作用。 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 5 平面電動(dòng)機(jī)電磁力分析 針對具有圖2 3 b 所示永磁陣列和圖2 4 a 所示線圈陣列的平面電動(dòng)機(jī)，參 考文獻(xiàn) 1 8 提出了電磁推力和電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式，即x 向或y 向的電磁推 力e - 4 i 。k , ，其中，下標(biāo)1 7 為x 或y ，l 為線圈的x 向或y 向控制電流，屯為 單個(gè)線圈的磁力常數(shù)。而線圈在通入電流時(shí)，作用在線圈上的電磁力將產(chǎn)生相 對于定子中心軸線的電磁轉(zhuǎn)矩互，其表達(dá)式乙- 1 2 l 屯。 2 3 永磁平面電機(jī)的數(shù)學(xué)模型研究 許多平面電動(dòng)機(jī)可以看成是由多套直線電動(dòng)機(jī)“組合 而成，通過分析可 知，具有上述結(jié)構(gòu)的平面電動(dòng)機(jī)的磁場運(yùn)動(dòng)性質(zhì)與直線電動(dòng)機(jī)的磁場運(yùn)動(dòng)性質(zhì) 并沒有本質(zhì)的不同，即平面電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)磁場是多個(gè)一維平動(dòng)磁場在不重疊區(qū)域 中分布的結(jié)果。 建立永磁同步平面電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是對其進(jìn)行控制和仿真的前提。為了得 到永磁平面電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們首先研究一下直線永磁平面電機(jī)的數(shù)學(xué)模 型。 首先對電機(jī)作如下假設(shè)： ( 1 ) 忽略鐵芯飽和； ( 2 ) 忽略電機(jī)繞組漏感； ( 3 ) 永磁材料的電導(dǎo)率為零； ( 4 ) 不計(jì)渦流和磁滯損耗，認(rèn)為磁路是線性的； 1 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 5 ) 反電動(dòng)勢是正弦的。 僅考慮基波分量，使用d q 軸模型，永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁鏈方程為n 力 妒d 一厶+ 妒， ( 2 1 ) 妒g 一0 ( 2 2 ) 妒，0 f ， ( 2 3 ) 其中，妒d 、妒，、妒，分別為d 、q 軸和永磁體的磁鏈；l d 、l ，、 i ，分別為d 、q 軸和等效的永磁體電感及電流；對于永磁體為表面安裝式的電動(dòng) 機(jī)有乙- l , ，緲，、l ，、i ，為常數(shù)。 d - q 軸模型電壓方程為 一r + p a d 一萬- - r - - v 九 ( 2 4 ) - 墨+ p 一詈，九 ( 2 5 ) 九- 厶+ 蹦 ( 2 6 ) 九 (2-7) 其中，、為d 、q 軸動(dòng)子電壓，九、九為d 、q 軸動(dòng)子磁鏈，冠為動(dòng)子 電阻，為定子永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁鏈，為線速度，f 為極距，p - d a t 電磁推力表達(dá)式為 c 一罟【h + ( l d - l , ) f a i ( 2 - 8 ) 電流內(nèi)環(huán)采用勵(lì)磁分量屯一0 的控制策略，則 c 一罷一k s ( 2 刪 其中，k f 為電磁推力系數(shù)，f 為極距。 直線永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為 f e l 鼉q i k f i qi m d d v t + d v 心dz z 口f 局。疋+ 易 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 其中，y 為動(dòng)子速度，d 為粘滯摩擦系數(shù)，m 為動(dòng)子和動(dòng)子所帶動(dòng)負(fù)載的總 質(zhì)量，最為總阻力，e 為負(fù)載阻力，為端部效應(yīng)力，s 為動(dòng)子線位移。 i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 本章小結(jié) 本章節(jié)對永磁平面電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析。依據(jù)不同的永 磁結(jié)構(gòu)和線圈形狀的組合，分析了平面電動(dòng)機(jī)的基本工作原理，給出在d g 軸模 型下的電壓方程和磁鏈方程。為建立平面電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。需要注意 的是，這些分析是在作了一定的忽略條件下得出的，實(shí)際電機(jī)模型要復(fù)雜得多， 實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境也復(fù)雜得多，因此這些分析結(jié)果適用于一般場合的永磁同步電 機(jī)控制。 1 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3 1 運(yùn)動(dòng)控制平臺實(shí)現(xiàn)方法及比較 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)為控制對象，以控制器 為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成 的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，用途各異n 鍆。 1 ) 按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分：用直流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的為直流傳動(dòng)系統(tǒng)；用 交流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的為交流傳動(dòng)系統(tǒng)。 2 ) 按被控物理量分：以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng)叫調(diào)速系統(tǒng)；以角位移或直線 位移為被控量的系統(tǒng)叫位置隨動(dòng)系統(tǒng)，有時(shí)也叫伺服系統(tǒng)。 3 ) 按控制器的類型分：以模擬電路構(gòu)成的控制器叫模擬控制系統(tǒng)；以數(shù)字 電路構(gòu)成的控制器叫數(shù)字控制系統(tǒng)。 另外，按照控制系統(tǒng)中是否有閉環(huán)，也可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系 統(tǒng)；按照控制原理的不同也可分很多種。 由開環(huán)到閉環(huán)的發(fā)展是控制系統(tǒng)發(fā)展的必然。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在要求成本低、 控制精度不高的場合大多運(yùn)行于開環(huán)狀態(tài)。對于不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，閉環(huán)的 模式也就不一樣。為了實(shí)現(xiàn)速度的控制，可以采用電流環(huán)和速度環(huán)兩環(huán)結(jié)構(gòu)； 為了實(shí)現(xiàn)位置的跟蹤，應(yīng)采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)。 隨著時(shí)代的發(fā)展，各種電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)和微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)的 結(jié)合正使其發(fā)展成為一門新的技術(shù)，即運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。而應(yīng)用先進(jìn)的控制算法， 開發(fā)全數(shù)字化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。 目前，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法主要有以下幾種： 1 ) 以模擬電路硬接線方式建立的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 2 ) 利用專用芯片實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 3 ) 用f p g a c p l d 等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 4 ) 以微控制器為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 這4 種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別適用于不同的應(yīng)用場合，下面分別進(jìn)行討論。 1 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 一、模擬控制系統(tǒng) 早期的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用運(yùn)算放大器等分立元件一硬接線方式構(gòu)成， 這種控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1 ) 通過對輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速控制。 2 ) 由于采用硬接線方式可實(shí)現(xiàn)無限的采樣頻率，因此，控制器的精度較高 且具有較大的帶寬。 然而，與數(shù)字系統(tǒng)相比，模擬系統(tǒng)得幾個(gè)缺點(diǎn)也是很明顯的： 1 ) 老化和環(huán)境溫度的變化對構(gòu)成系統(tǒng)的元器件的參數(shù)影響很大。 2 ) 構(gòu)成模擬系統(tǒng)需要的元件較多，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也使系統(tǒng)的 可靠性降低。 3 ) 由于采用硬接線，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，升級和功能修改幾乎是不可能的。 4 ) 受最終系統(tǒng)規(guī)模的限制，很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)算量大、精度高、性能更先進(jìn)的復(fù) 雜控制算法。 。 模擬控制系統(tǒng)的上述缺陷使它很難用于一些功能要求較高的場合。然而， 作為控制系統(tǒng)最早的一種實(shí)現(xiàn)方式，它仍然在早期的應(yīng)用中發(fā)揮著作用；另外， 對于一些功能簡單的控制系統(tǒng)，仍然可以采用分立元件構(gòu)成。 二、利用專用芯片實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 為了簡化電動(dòng)機(jī)模擬控制系統(tǒng)電路，同時(shí)保持系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，一些 公司推出了專用電動(dòng)機(jī)控制芯片，如t i 公司直流無刷電動(dòng)機(jī)控制芯片u c c 3 6 2 6 ， u c c 2 6 2 6 等。利用專用芯片構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)保持了模擬控制系統(tǒng)的長處，具 有響應(yīng)速度快、系統(tǒng)集成度高、使用元件少、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，專用控 制芯片價(jià)格便宜，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。因此這種控制系統(tǒng)廣泛用于電動(dòng)自 行車、點(diǎn)鈔機(jī)等精度較低、成本敏感的場合，是目前應(yīng)用最廣的一種運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。 然而，受專用芯片本身的限制，這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)也是很明顯的，主要包括： 1 ) 由于已將軟件算法固化在芯片內(nèi)部，雖然可保證較高的系統(tǒng)響應(yīng)速度， 但是降低了系統(tǒng)的靈活性，不具有擴(kuò)展能力。 2 ) 受芯片制造工藝的限制，在現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)專用芯片中所實(shí)現(xiàn)的算法一般 都是比較簡單的。 3 ) 由于專用芯片不能進(jìn)行編程，因此，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級。 1 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 ) 受本身算法限制，控制精度較低，難用于高性能、高精度的應(yīng)用場合。 三、用f p g a c p l d 等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 由于f p g a c p l d 等可編程邏輯器件的發(fā)展，人們可以利用v h d l 等硬件開發(fā) 語言，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)控制算法，然后將這些算法下載到相應(yīng)得可 編程邏輯器件中，從而以硬件的方式實(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1 ) 系統(tǒng)的主要功能都可在單片f p g a c p l d 器件中實(shí)現(xiàn)，減少了所需的元器 件個(gè)數(shù)，縮小了系統(tǒng)體積。 2 ) 具有較好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。 3 ) 由于系統(tǒng)以硬件實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)并行處理。 然而，這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的缺點(diǎn)也是很明顯的，例如，算法越復(fù)雜，可編 程邏輯器件內(nèi)部需要的晶體管門數(shù)就越多。按照目前的制造工藝，可編程邏輯 器件的門數(shù)越多，價(jià)格就越昂貴。因此，考慮到目標(biāo)系統(tǒng)的成本，一般使用可 編程器件實(shí)現(xiàn)較簡單的算法，構(gòu)成較簡單的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)口。 四、以微控制器為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 。 以微處理器為核心構(gòu)成的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1 ) 使電路更簡單。模擬電路為實(shí)現(xiàn)邏輯控制需要許多分立電子元件，電路 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可采用軟件實(shí)現(xiàn)。 2 ) 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法。微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快、精 度高、具有大容量的存儲器，且價(jià)格低廉。 3 ) 靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)。如果修改控制規(guī)律，一般不必修改硬件電路，只需 對軟件進(jìn)行修改即可。 4 ) 無零點(diǎn)漂移，控制精度高。 早期使用的微處理器主要是以m c s - 5 1 ，m c s 一9 6 等為代表的8 位或1 6 位單 片機(jī)。在一些性能要求不是很高的場合，普遍采用這類微處理器作為電動(dòng)機(jī)控 制器。 但是，這類微處理器一般采用馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，處理速度有限，處理 能力也有限；另外，這類單片機(jī)的集成度較低，片上不具備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需 的專用外設(shè)，如p w m 產(chǎn)生電路等。因此，基于這類為控制器構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)控制 系統(tǒng)仍然需要較多的元件，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，也 1 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 難以滿足運(yùn)算量較大的實(shí)時(shí)信號處理的需要。 為了滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需要，t i 公司推出了t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 為控制 器。d s p 采用了程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水 線操作，提供優(yōu)化的指令集。這些特點(diǎn)使其可以滿足快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處 理算法；同時(shí)，t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 集成了大量的片上存儲器和專用的運(yùn)動(dòng)控 制外設(shè)電路( p w m 產(chǎn)生電路、可編程死區(qū)、捕獲單元等) 以及其他功能的外設(shè)電路 ( 1 6 通道a d 轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)事件管理模塊、c a n 控制器模塊等) ，具有可編程性 好、集成度高、靈活性適應(yīng)性好、升級方便等優(yōu)點(diǎn)呦1 。 基于d s p 控制器構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，外部元件少、系統(tǒng)體積小、可靠 性高。另外，由于各種功能都通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，因此，系統(tǒng)升級容易、擴(kuò) 展性、維護(hù)性都很好。 通過以上各種方法的對比可知，基于d s p 控制器構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可滿 足任意場合的需要，將是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向。 ， 3 2 永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理：首先，上位p c 機(jī)通過r s 2 3 2 總線或c a n 總線向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送一個(gè)位置指令，在經(jīng)過運(yùn)動(dòng)控制器中的d s p 處理后，輸出p 1 | m 波來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，并隨時(shí)根據(jù)電機(jī)反饋的信息進(jìn)行調(diào)整， 直到電機(jī)達(dá)到預(yù)定位置為止。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括串口通信，信號處理模塊，模擬輸入輸出轉(zhuǎn)換模塊， 擴(kuò)展i o 模塊等。串口通信模塊主要是用于p c 機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器之間的通訊；信 號處理模塊實(shí)現(xiàn)具體的控制算法，并將運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)的數(shù)字信號； 模擬輸入輸出轉(zhuǎn)換模塊主要是用在將控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)的電流或電壓信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，以便d s p 的處理，或者將來自d s p 的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號； 擴(kuò)展i o 模塊主要用于進(jìn)行外部接口擴(kuò)展。永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件 框圖乜羽，如圖3 - 1 所示。 1 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 - 1 永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件框圖 永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用開放式的體系結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有通用性， 便于系統(tǒng)升級。對于開放性數(shù)控系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)： ( 1 ) 性價(jià)比極高 由于開放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可移植性，使其開發(fā)費(fèi)用大大降低，維修 更簡易，質(zhì)量更可靠，性能更加完善，增強(qiáng)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的市場競爭力。 ( 2 ) 模塊化的設(shè)計(jì) 開放式數(shù)控系統(tǒng)中的各模塊相互獨(dú)立，可讓用戶在較大范圍內(nèi)根據(jù)需要配 置系統(tǒng)，如加工軸數(shù)等，而當(dāng)系統(tǒng)硬件改變時(shí)，只需適當(dāng)修改數(shù)控系統(tǒng)軟件， 即可滿足需求。具有更大的靈活性，更能適應(yīng)市場的動(dòng)態(tài)變化。 ( 3 ) 豐富友好的人機(jī)界面 用戶可以在開放式環(huán)境下用不同的編程語言隨心所欲地開發(fā)最適合自己用 途的人機(jī)界面，完善自己的數(shù)控系統(tǒng)。 ( 4 ) 支持多種操作平臺 開放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)比以往的專用數(shù)控系統(tǒng)能更好地支持各種不同的操 作平臺，如：w i n d o w s 9 8 ，w i n d o w s 2 0 0 0 x p ，u n i x 操作系統(tǒng)瞳利。 1 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3 本章小結(jié) 本章節(jié)通過對幾種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的比較，構(gòu)建了以d s p 為核心的運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)。基于d s p 控制器構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，主要由控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電 路、檢測反饋電路等組成，這種結(jié)構(gòu)性價(jià)比高、設(shè)計(jì)簡便、外部元件少、系統(tǒng) 體積小、可靠性高。另外，由于各種功能都能通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，因此，軟 件升級容易、擴(kuò)展性、維護(hù)性都很好。 1 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第4 章平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 永磁平面電機(jī)的性能受到結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面的影響，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè) 計(jì)的基礎(chǔ)上，永磁平面電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)期望的精度、穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)的硬件設(shè) 計(jì)是其關(guān)鍵因素之一。 永磁平面電機(jī)的位置伺服控制需要不停地將電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況反饋回控 制器，需要對電機(jī)的位移信號進(jìn)行處理嘶1 。運(yùn)算處理后，輸出控制信號到功率 電路，進(jìn)而控制永磁平面電機(jī)的位置?？刂葡到y(tǒng)是永磁平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 的核心，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。 由于永磁平面電機(jī)具有不穩(wěn)定性，因此要求控制系統(tǒng)要具有很高的控制實(shí)時(shí) 性。但是永磁平面電機(jī)的非線性特性決定了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需采用現(xiàn)代控制理論 或智能控制方法，其算法比較復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)時(shí)控制，就要求核心控 制器必須具有較高的運(yùn)算速度、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和一定的控制精度。同時(shí) 要求整個(gè)控制系統(tǒng)的模擬輸入輸出電路轉(zhuǎn)換速度快、精度高；方便的通訊、調(diào) 試接口，且硬件電路盡可能簡化、便于實(shí)現(xiàn)、通