y7 2 z s a 4 剛舌 在9 0 年代中蝴以幣，山于科學(xué)技術(shù)的h 新月異，尤其是訓(xùn)算機(jī)技術(shù)，微電 了投術(shù)，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，帶來了電機(jī)本體及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)摧，使 得電機(jī)的數(shù)字化控制替代傳統(tǒng)的模擬控制成為未來電機(jī)發(fā)展的必然趨勢。而直 線馳動技術(shù)在精密定化領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。特別是隨著數(shù)摔機(jī)床加工 技術(shù)要求不斷地實(shí)現(xiàn)高速和超高逋化、精密和超精度化，高速反應(yīng)能力地直線 伺服進(jìn)給技術(shù)所謂地零傳動方i 便應(yīng)用】f i ! l 。 直線電機(jī)伺服系統(tǒng)與傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)f 滾珠齷札。進(jìn)給力式帽比，雖然 消除了機(jī)械傳統(tǒng)鏈所帶術(shù)晌一些不良影響，g i r l3 增加了電氣電了控制上的難度。 在要求高精發(fā)微進(jìn)給的場合，必須站在更高的層次上，考慮更多的攝動與擾動 等不確定崗索對進(jìn)給運(yùn)動的影響，否則，零傳動將失去原來所希望的意義。囚 此，必須采用更有效的控制技術(shù)諸如使崩數(shù)字信號處理器( d s p ) 芯片、實(shí) 現(xiàn)電壓j 目p w m 控制( s p w m ) 、電壓空間矢量p w m ( s v p w m ) 控制以及 自適應(yīng)控制、神經(jīng)元控制、模糊控制這些現(xiàn)代的控制策略。用軟件和微電子器 件取代精度要求很高而又笨重的機(jī)械部件來獲得更高性能，無論如何是值得的。 本文首先介紹，直線電機(jī)和相關(guān)控制技術(shù)的基本原理、發(fā)展歷史及其分類， 接著介紹了當(dāng)前應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的豐要的檸制鐿略，以及本文所采用的控 制策略，其體分析了控制框圖和所采廂的一些控制方法。再接著介紹了控制系 統(tǒng)的軟硬件，給出了具體的電路圖和流程罔。然后在m a t i a b s i m u l i n k 平臺下 搭建了控制器的仿真系統(tǒng)，做了相府的仿真，給m 并分析了仿真結(jié)果。最后用 控制器做了相應(yīng)的試騎分析了試驗(yàn)結(jié)果，提出了存在的剛題并給出了今后改 進(jìn)的建議。 關(guān)鍵 司： 永磁同步直線電機(jī)矢量控制s v p w m 坐標(biāo)變換p i 調(diào)1 ，器 浙江太學(xué)碩f j 學(xué)位論定 第一章緒論 第一章緒論 1 - l 直線電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用簡介 直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能、而不需要任何中間轉(zhuǎn)換 機(jī)構(gòu)的傳動裝置。在許多工業(yè)領(lǐng)域中，被控對象的運(yùn)動路徑往往是直線形式。但 遺憾的是，過去由于直線運(yùn)動驅(qū)動器沒有得到充分的發(fā)展，長期以來刁i 得不借助 與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，加上機(jī)械變換環(huán)節(jié)而獲得最終的直線運(yùn)動，或者單向位 移或者雙向往復(fù)位移。顯然，這種獲得直線運(yùn)動的方式具有“間接”的性質(zhì)。如 果驅(qū)動器能給被控對象提供直線運(yùn)動形式的推力，以獲得單向或者雙向的有限可 控位移，那么兩者在運(yùn)動形式上就直接匹配一致了，省去了中間的變換環(huán)節(jié)，這 就具有天然的合理性了。以電磁原理工作的各種形式的直線電機(jī)是提供大功率、 高推力的主要執(zhí)行元件。由于它能直接產(chǎn)生連續(xù)單向或往復(fù)短行程的直線機(jī)械運(yùn) 動，而不需要中間機(jī)械傳動變換裝置，因而在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門都獲得了應(yīng)用， 而且應(yīng)用的前景越來越廣闊。特別是隨著上海磁懸浮商業(yè)線的投入運(yùn)行，各個(gè)罔 家加大了對直線電機(jī)設(shè)計(jì)和控制的研究。從目前的發(fā)展趨勢來看，可能形成臣人 市場的“直線運(yùn)動工業(yè)”。 早在1 9 世紀(jì)末與2 0 世紀(jì)初就有人從事直線電機(jī)的研究。當(dāng)時(shí)研究直線電機(jī) 有兩個(gè)目的，其一想用它來推動織布機(jī)e 的梭子，其二想用它作為推動列車的動 力，但均未獲得成功，這兩者都停留在試驗(yàn)論證階段。在以后很長的一段時(shí)間內(nèi)， 雖有少量的研究成果，但都未超出試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗A段。從美國專利上看，2 0 世紀(jì)三、 四十年代，也曾一度出現(xiàn)直線電機(jī)熱，但后來慢慢冷下來了。其原因大致在于以 下幾方面：一、直線電機(jī)的電磁氣隙與極距的比值通常高于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此激磁 電流較大，另外存在由于鐵芯兩端開斷產(chǎn)生的邊端效應(yīng)，于是直線電機(jī)的效率和 功率因數(shù)比同容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)的低。人們的傳統(tǒng)概念是以效率和功率因數(shù)來衡量電 機(jī)的。這個(gè)概念牢固地束縛了直線電機(jī)的應(yīng)用；二、沒能找到唯獨(dú)它適用的領(lǐng)域； 三、直線電機(jī)的控制線路及其裝置費(fèi)用成為它發(fā)展的障礙，因?yàn)楫?dāng)時(shí)控制技術(shù)不 完善、元器件昂貴且性能欠佳；四、直線電機(jī)理論發(fā)展緩慢，設(shè)計(jì)上存在缺陷， 沒有對應(yīng)用起到促進(jìn)和預(yù)見作用。以上這些使得人們對直線電機(jī)一度失去信心。 浙汀大學(xué)頌上學(xué)位論文第一章緒論 直至5 0 年代中期以后，控制、材料技術(shù)的飛速發(fā)展利新型控制元器件的不斷出 現(xiàn)為直線電機(jī)的廣泛應(yīng)用打開了方便之門。隨著科技的發(fā)展，人們的觀念也發(fā)生 了變化，認(rèn)為直線電機(jī)的較低效率可以用增加襤個(gè)裝置的傳動效率來補(bǔ)償，在不 連續(xù)使用的情況下，效率退居第二位，整個(gè)裝置的簡單和經(jīng)濟(jì)顯示了直線電機(jī)的 優(yōu)越。同時(shí)隨著核動力的發(fā)展，需要抽吸鈉鉀混合物之類液態(tài)金屬，于是就產(chǎn)生 了作為電磁泵的直線電機(jī)。6 0 年代以來，隨著超高速運(yùn)輸系統(tǒng)的需要，直線電 機(jī)在這方面的應(yīng)用受到了極大的重視，許多國家開展了對直線電機(jī)的專題研究， 于是直線電機(jī)的理論和應(yīng)用均獲得了迅速的發(fā)展。 值得一提的是在6 0 年代木、7 0 年代初將直線電機(jī)作為高速列車的驅(qū)動裝置 得到了各國的高度重視并計(jì)劃予以實(shí)施，其巾尤以德國、日本為代表。近：卜年 來，不僅直線電機(jī)的新產(chǎn)品層出不窮，而且新原理直線電機(jī)也不少，例如超聲波 直線電機(jī)，微步距直線電機(jī)等等。 相對于國外，國內(nèi)的直線電機(jī)研究起步較晚，發(fā)展不穩(wěn)定，七十年代比較熱， 八1 一年代i j 期滯退，八十年代后期至今又有較大發(fā)展?，F(xiàn)在國內(nèi)己出現(xiàn)了一支卣 線電機(jī)的開發(fā)、研究隊(duì)伍，“些大專院校、科研單位和j i = 廠積極開展了各類直線 電機(jī)的摹本理論和開發(fā)應(yīng)用的研究。自從1 9 8 2 年開始，全國直線電機(jī)學(xué)術(shù)會議 定期召丌，會上既有論文的交流，也有新成果的展現(xiàn)，還不斷有新的年青會員參 加。我國在直線電機(jī)的應(yīng)用上也取得了可喜的成果，例如浙江大學(xué)的遙控直線電 機(jī)窗簾機(jī)、世界首創(chuàng)的新型電磁式直線電機(jī)沖床、圓盤直線電機(jī)驅(qū)動并利用其電 磁內(nèi)熱的炒茶機(jī)、西安交通大學(xué)的一種新型電磁打泊機(jī)、上海工業(yè)大學(xué)的浮法玻 璃生產(chǎn)用的直線電機(jī)、直線電機(jī)驅(qū)動的自動門等等，關(guān)于直線電機(jī)國內(nèi)已有許多 項(xiàng)專利。最近幾年，直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更是全面鋪開，如備受世人矚目的上海 磁懸浮工程正是采用長定子直線同步電機(jī)來驅(qū)動高速磁懸浮列車的；另外浙江大 學(xué)的直線電機(jī)驅(qū)動的大型傳輸線及電梯也正在研制中，并已取得階段性的應(yīng)用成 果。在理論研究上，我國也有很大的發(fā)展，發(fā)表了不少的文章，出版了一些書籍。 現(xiàn)在直線電機(jī)的應(yīng)用面很廣，涉及到工業(yè)、運(yùn)輸、建筑、醫(yī)學(xué)、民用等多方面， 越來越受到人們的重視，其發(fā)展前景甚為廣闊。 1 2 直線交流伺服電機(jī)及其應(yīng)用簡介 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文 第一帝緒論 一、直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 如圖卜1 所示，直線電機(jī)可以認(rèn)為足旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變。它t u 以看作足先將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向剖丌，然后再將電機(jī)的圓周展成直線。這樣 就得到了由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的最原始的直線電機(jī)。由定子演變而來的側(cè)為初 級或原邊，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級或副邊。 a ) 沿徑向剖開 ( 初級 o a a o a d o 口ooo口ooao口 圖i 一1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)變?yōu)橹本€電機(jī)的過程 直線電機(jī)最基本的：r 作原理，如圖l 一2 所示，在初級繞組通入交流電源，則 在氣隙中產(chǎn)生行波磁場。次級在行波磁場的切割下，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢從而產(chǎn)生電 流，該電流與氣隙中的磁場相互作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在 推力的作用下做直線運(yùn)動；反之，次級固定，則初級作直線運(yùn)動。直線電機(jī)就這 樣把電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動的機(jī)械能而無需任何中間變換裝置。 l 一初級2 一次級3 一行波磁場 圖1 - 2 直線電機(jī)的基本j ：作原理 在圖卜1 中，演變而來的直線電機(jī)的初級和次級長度是相等的。在直線電機(jī) 運(yùn)行時(shí)，初級與次級之間是要作相對運(yùn)動的，如果在運(yùn)動開始時(shí)，初級與次級正 巧對齊，那么，在運(yùn)動中初級與次級之間互相耦合的部分越來越少，從而使直線 電機(jī)不能正常運(yùn)動下去。為了保證在所需的行程范圍之內(nèi)，初級與次級之間的耦 合能保持不變，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，初級與次級的長度要制造成不相等的。事實(shí)上，在 直線電機(jī)制造時(shí)，即可以是初級短、次級長，也可以是初級長、次級短，見圖 灑江人學(xué)顫f 學(xué)位論文笫一章緒論 1 3 。前者稱作短初級長次級，后者稱為躍初級短次級。 巴型畦嬰避 o 一初級o a ) 短初級b ) 短次級 圖1 3 單邊型商線屯機(jī) 圖卜3 中所示的直線電機(jī)僅在一邊安放初級，這樣的結(jié)構(gòu)型式被稱為單邊型 直線電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)一個(gè)最大特點(diǎn)是在初級與次級之間存在一個(gè)很大的法 向吸力。一般這個(gè)法向吸力，在鋼次級時(shí)，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，會是推力的1 0 倍以上。 在大多數(shù)的場合下，這種法向吸力是不希望存在的，如果在次級的兩邊都裝上初 級，那么這個(gè)法向拉力可以相互抵消，這種結(jié)構(gòu)型式被稱為雙邊型，見圖卜4 。 幽l 一4雙邊型直線電機(jī) 【二面介紹的直線電機(jī)都屬于扁平型直線電機(jī)，是目前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形 式。對于其它特殊方面的應(yīng)用，除了上述扁平型直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式外，直線電 機(jī)還可以做成圓筒型( 也稱管型) 或盤型。 二、直線電機(jī)的分類 直線電機(jī)在不同的場合有不同的分類型式。例如在考慮外形結(jié)構(gòu)時(shí)，往往以 結(jié)構(gòu)型式將其進(jìn)行分類；當(dāng)考慮其功能用途時(shí)，則又以其功能用途進(jìn)行分類；而 在分析或闡述電機(jī)的性能或機(jī)理時(shí)，則是以其工作原理進(jìn)行分類。下文就幾種主 要分類型式簡單予以介紹。 1 按結(jié)構(gòu)型式分類 直線電機(jī)按其結(jié)構(gòu)型式主要可分為扁平型、圓筒型( 或管型) 、圓弧型和圓 4 浙江大學(xué)煩十學(xué)位論文 第一章緒埝 盤型四種。 所謂扁平型直線電機(jī)就是上文所主要介紹的，即為種扁平的矩形結(jié)構(gòu)的齟 線電機(jī)，它有單邊型和雙邊型，每種型式下又分別有短初級、長次級或長初級、 短次級，上文已有介紹。 所謂圓筒型商線電機(jī)，即為一種外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形的商線電機(jī)。這種 直線電機(jī)一般均為短初級、長次級型式。在需要的場合，我們還將這種電機(jī)做成 既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又有直線運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)，至于旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動體既可以是初 級，也可以是次級。 初緞 圖1 圖1 6 弧型直線電機(jī)圖1 7 嘲盤型商線電機(jī) 所謂圓弧型直線電機(jī)，就是將平板型直線電機(jī)的初級沿運(yùn)動方向改成弧型， 并安放于圓柱形次級的柱面外側(cè)，如圖1 - 6 所示。 所謂圓盤型直線電機(jī)，即該電機(jī)的次級是一個(gè)圓盤，不同型式的初級驅(qū)動圓 盤次級作圓周運(yùn)動，如圖l 一7 所示。其初級可以是單邊型，也可以是雙邊型。 2 按功能用途分類 直線電機(jī)，特別是直線感應(yīng)電機(jī)，按其功能用途主要可分為力電機(jī)、功電機(jī) 和能電機(jī)。 浙江人學(xué)碩上學(xué)位論文笫一章緒論 力電機(jī)主要用于在靜止物體上或低速的設(shè)備卜施加定的推力的直線電機(jī)。 它以短時(shí)運(yùn)行、低速運(yùn)行為主，例如閥門的開閉，門窗的移動，機(jī)械手的操作、 推車等等。 功電機(jī)主要作為長期連續(xù)運(yùn)行的直線電機(jī)，它的性能衡量的指標(biāo)與旋轉(zhuǎn)電機(jī) 基本一樣，即可用效率、功率因數(shù)等指標(biāo)來衡量其電機(jī)性能的優(yōu)劣。例如高速磁 懸浮列車用直線電機(jī)，各種高速運(yùn)行的輸送線等。 能電機(jī)是指運(yùn)動構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)所能產(chǎn)生的極高能量的驅(qū)動電機(jī)，它主要是 在短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動能，例如導(dǎo)彈、魚雷的發(fā)射，飛機(jī)的起 飛以及沖擊、碰撞等試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動等等。 3 按工作原理的分類 從原理上講，每種旋轉(zhuǎn)電機(jī)都有與之相對應(yīng)的直線電機(jī)，然而從使用角度來 看，直線電機(jī)得到了更廣泛的應(yīng)用。直線電機(jī)按其工作原理可分為兩個(gè)大的方麗， 即直線電機(jī)和直線驅(qū)動器，直線電機(jī)包括交流直線感應(yīng)電機(jī)( l i n e a ri n d u c t i o n m o t o r s ，簡稱l i m ) 、交流直線同步電機(jī)( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s ，簡稱l s m ) 、 直線直流電機(jī)( l i n e a rd cm o t o r s ，簡稱l d m ) 和直線步進(jìn)( 脈沖) 電機(jī)( l i n e a r s t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s ，簡稱l p m ) 、混合式宜線電機(jī)( l i n e a rh y b r i dm o t o r s ， 簡稱l h m ) 等。直線驅(qū)動器包括直線振蕩電機(jī)( l i n e a ro s c i l l a t i n gm o t o r s ， 簡稱l o m ) 、直線電磁螺線管電機(jī)( l i n e a re l e c t r i cs o l e n o i d ，簡稱l e s ) 、直 線電磁泵( l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cp u m p ，簡稱l e p ) 、直線超聲波電機(jī)( l i n e a r u l t r a s o n i cm o t o r s ，簡稱l u h ) 等。以上這些南線電機(jī)又可分成許多不同的種 類。 由于對感應(yīng)式直線電機(jī)的研究較早，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，適應(yīng)性強(qiáng)， 成本低，所以在各個(gè)領(lǐng)域首先獲得推廣應(yīng)用：面隨著高性能永磁材料的發(fā)展和價(jià) 格的降低，永磁式同步直線電機(jī)在許多小功率設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，主要是在 各種設(shè)備中作為伺服驅(qū)動和精密較高的定位控制。 三、直線交流電機(jī)伺服控制簡介 1 感應(yīng)式直線交流伺服電機(jī) 它可視為將旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電機(jī)的定子沿徑向切開并將其拉直，且用一導(dǎo)電金屬 平板代替轉(zhuǎn)子。感應(yīng)式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)有平面型和圓筒型。對于直線行程小于0 5 m 浙江人學(xué)碩上學(xué)位論文 第一章緒論 的場合，一般傾向于采用圓筒結(jié)構(gòu)。對于較長行程的感應(yīng)式直線電機(jī)通常采用平 面型結(jié)構(gòu)。平面型結(jié)構(gòu)又分為單邊或雙邊初級形式。由于在實(shí)際中很少遇到長行 程( 1o m 以上) 的情況，( 即使有超過的情況，我們通常也是采用分散控制方式 替代集中控制方式) ，所以一般將具有三相繞組的初級作為動子，次級鼠籠作為 定子，兩者之間大約有l(wèi) m m 的氣隙。 這種感應(yīng)式直線電機(jī)一般都由s p w m 變頻器供電。電機(jī)的速度為2 、3 m s 。作 為伺服電機(jī)來說，要能對其運(yùn)動位置、速度、推力等參數(shù)進(jìn)行快速麗又準(zhǔn)確的摔 制，需采用次級磁場定位的矢量變換控制。隨著溫度的變化，次級電阻也將產(chǎn)生 較大的變化。為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)磁場定向，要求對其進(jìn)行自動補(bǔ)償，這和旋轉(zhuǎn)式感心 電機(jī)的矢量控制的要求是一樣的。 2 永磁式直線交流伺服電機(jī) 這種直線電機(jī)利用高能永磁體，具有的推力強(qiáng)度高、損耗低、時(shí)間常數(shù)小、 響應(yīng)時(shí)間快、控制比較容易等一系列特點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是永磁體的高成本帶來整 體裝置的高價(jià)格，以及在端部存在較嚴(yán)重的漏磁場，特別是在單邊圓筒型中，漏 磁現(xiàn)象更為嚴(yán)重。這種電機(jī)也分為平面型( 單邊、雙邊) 或圓筒型。對于任何一 種形狀，均可將初級制成動子，次級的永磁體作為定子。借助于支撐系統(tǒng)，動子 和定子之間保持恒定的氣隙。圖1 8 為單邊扁平型永磁直線同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖； 而圓筒型永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 5 所示。 圖1 - - 8 為單邊扁平型永磁贏線同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 用于推力或位置控制的平面型直線電機(jī)，其運(yùn)動行程可達(dá)3 m 以 ：；對于行 程長度0 5 m 以下的情況，人們往往更愿意采用圓筒型結(jié)構(gòu)，這樣可以更好地利 用材料，使相應(yīng)地傳動裝置結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊。平面型直線永磁電機(jī)的初級動子 7 浙江夫?qū)W碘l 學(xué)位論文第一章緒論 結(jié)構(gòu)義可分為鐵心式和無鐵心式的兩種。在有鐵心式的結(jié)構(gòu)中，將電機(jī)的動子線 圈繞制在硅鋼片上，用幣側(cè)磁路產(chǎn)生最大的推力，采用高性能稀土永磁體和特殊 的電磁設(shè)計(jì)，以獲得更大的推力重量比和推力功率輸入比，減小推力波動。大推 力使其有充分的能力加減速和移動較大的質(zhì)罱。不管是平面型還是圓筒型結(jié)構(gòu)， 基本上可分為矩形波電流控制和正弦波電流控制，采用i g b t 組成的逆變器供電， 并用p w m 調(diào)制。雖然是電壓型逆變器，但直接受控的是電流，在一般情況下，采 用i 。= o 的控制策略，使電磁推力與j 。具有線性關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是 p i d 組成的速度一電流雙閉環(huán)控制。 永磁直線同步電機(jī)兼有永磁電機(jī)和直線電機(jī)的雙重特點(diǎn)。與直線感應(yīng)電機(jī)相 比，永磁直線同步電機(jī)的力能指標(biāo)高、體積小、熏量輕且具有發(fā)電制動功能。岡 而不斷在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。例如垂直升降輸送系統(tǒng)，高速地面運(yùn)輸系統(tǒng)，往 復(fù)式空氣壓縮機(jī)等等。但永磁同步直線電機(jī)也存在造價(jià)高，控制較為復(fù)雜的特點(diǎn)。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝的提高，這些以前讓很多電機(jī)設(shè)計(jì)人員望而 卻步的缺點(diǎn)也顯得微不足道了，所以最近幾年關(guān)于永磁同步直線電機(jī)麻用的文 章、設(shè)計(jì)不斷升溫。 永磁直線同步電機(jī)的分析一般以電磁場解析法為基礎(chǔ)，并以實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù) 值法加以驗(yàn)證。在永磁直線電機(jī)當(dāng)中，還有采用高性能永磁材料與電勵磁線圈混 合的勵磁系統(tǒng)，這種稱為可控永磁直線同步電機(jī)，其主要特點(diǎn)在于基本勵磁由永 磁提供，而動念調(diào)整由電勵磁來完成，故突出了可控性的優(yōu)點(diǎn)。 3 直線交流伺服系統(tǒng)存在的問題 必須清醒地看到，采用直線電機(jī)直接驅(qū)動控制之后，系統(tǒng)參數(shù)攝動、負(fù)載擾 動等不確定因素的影響將直接反映到直線電機(jī)的運(yùn)動控制中，而沒有任何中間的 緩沖過程，因此增加了控制上的困難。此外，要求具有強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、制動系統(tǒng) 以及防鐵屑與塵埃措施等，都增加了裝置的成本。而在傳動機(jī)械方麗的簡化，必 導(dǎo)致電氣控制上的困難，也提高了對傳感器分辨率和反應(yīng)能力的要求。直線電機(jī) 驅(qū)動系統(tǒng)對環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，灰塵切屑粉末要嚴(yán)防被導(dǎo)磁體吸進(jìn)去，因此要 加套蓋，甚至要在機(jī)床內(nèi)部加噴管，從內(nèi)部向外噴出空氣，使灰塵或是鐵屑不被 吸入，這就是所謂的隔磁問題。這是因?yàn)橹本€電機(jī)的磁場是敞開的，有著嚴(yán)重的 “端部效應(yīng)”。不過這點(diǎn)在環(huán)境要求同樣很高的半導(dǎo)體生產(chǎn)和制造以及相關(guān)的 浙江大學(xué)頌 一學(xué)位論文 第一章緒論 行業(yè)闖題顯得不是很大。另個(gè)主要的問題就是存感應(yīng)電機(jī)低速運(yùn)行的時(shí)候效率 不是很高，而直線電機(jī)自身散熱環(huán)境不好，所以必須采取強(qiáng)有力的措施( 風(fēng)冷或 水冷) ，把電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速散出，否則會直接影響伺服系統(tǒng)的工作精 度降低直線電機(jī)的推力。 4 直線電機(jī)性能對比 表1 1 兩類直線電機(jī)性能對比表 電機(jī)類型永磁式感應(yīng)式 單位面積電磁推力大小 f 效率高低 可控性好較差 進(jìn)給平穩(wěn)性好較好 動力制動可能尚無 對氣隙調(diào)整的要求低局 塵埃防護(hù)難易 磁吸力常量變量 安裝時(shí)的磁吸力大無 由上表可見，在總體性能上永磁式直線電機(jī)具有較大的優(yōu)勢，應(yīng)用更為廣泛。但 從目前來看，由于感應(yīng)式直線交流伺服電機(jī)的成本略低，防塵與安裝均較容易， 并且性能已接近于永磁式直線電機(jī)的水平，所以其應(yīng)用也是很廣泛。 1 3 交流調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展情況 電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，與工業(yè)生產(chǎn)、人民，主活息息相關(guān)。這罩所說的電 機(jī)是指廣義上的電機(jī)。電機(jī)控制系統(tǒng)的目的是控制電機(jī)的一個(gè)或多個(gè)輸出量，即 轉(zhuǎn)速、角位置( 如直線電機(jī)則為直線運(yùn)動速度和運(yùn)行位置) 、加速度、轉(zhuǎn)矩和輸 出功率等，其中調(diào)速一直是人們最關(guān)心的一個(gè)方向。 由于交流電動機(jī)是個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)禍合的被控對象，采用參數(shù)重構(gòu)和 狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩 分量之間的解耦，實(shí)現(xiàn)了將交流電動機(jī)的控制過程等效為直流電動杌的控制過 浙江大學(xué)傾。f i 學(xué)位論文 第一章緒隆 程，使交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速雖終 取代直流調(diào)速成為可能。目前對調(diào)速特性要求較高的生產(chǎn)工藝已較多地采用了矢 量控制型的變頻調(diào)速裝置。受矢量控制的啟迪，近年來又派生出諸如多變量解禍 控制、變結(jié)構(gòu)滑模控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方法。針對電機(jī)參數(shù)時(shí)變特點(diǎn)，在矢量 控制系統(tǒng)中增加了自適應(yīng)控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，采用矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的 優(yōu)越性高于直流調(diào)試系統(tǒng)。 交流調(diào)試的實(shí)現(xiàn)手段也在從最開始的模擬電子控制發(fā)展為單片微機(jī)及數(shù)字 信號處理器d s p 為控制核心的數(shù)字化控制。數(shù)字化使得控制器對信息處理能力大 幅度提高，許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制，如矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換運(yùn)算、解耦 控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識的自適應(yīng)控制等，采用微機(jī)控制器后便都解決 了。高性能的矢量控制系統(tǒng)如果沒有微機(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。此外，微 機(jī)控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能，特別是故障診斷技術(shù)得到了 完全的實(shí)現(xiàn)。 一、交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 直流電氣傳動和交流電氣傳動在1 9 世紀(jì)先后誕生。在2 0 世紀(jì)的大部分年代 罩，由于直流傳動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動都采用直流電機(jī)，而 約占電氣傳動總?cè)萘? 0 的不變速傳動則采用交流電機(jī)，這種分工在一段時(shí)期 內(nèi)已經(jīng)成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)雖然早已有多種方案問世，并已 獲得一些實(shí)際運(yùn)用的領(lǐng)域，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。直至 7 0 年代末，這一交直流傳動按調(diào)速分工的格局終于被打破，交流調(diào)速傳動得到 了迅猛的發(fā)展，開始邁入電氣傳動交流化的新時(shí)代。此后，交流調(diào)速系統(tǒng)主要沿 著以下三個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用：一個(gè)是取代直流調(diào)速以實(shí)現(xiàn)少維護(hù)為目標(biāo)的高性能 交流調(diào)速：另一個(gè)是以節(jié)能為目的，改恒速為調(diào)速，適用于風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī) 等通用機(jī)械的交流調(diào)速；第三個(gè)是直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)的特大容量、極高轉(zhuǎn)速領(lǐng)域 的交流調(diào)速。 二、交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)( 或稱感應(yīng)電機(jī)) 和同步電機(jī)兩大類。 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，常見的有：降電壓調(diào)速；電磁轉(zhuǎn)差離合器 調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速：繞線轉(zhuǎn)予異步電機(jī)串級調(diào)速； 浙江大學(xué)碩士學(xué)位淦文第一章緒論 變極對數(shù)調(diào)速；變壓變頻調(diào)速等等。 按照交流異步電機(jī)的基本原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率只可分為兩部 分：部分己。= ( 1 一s ) 0 是拖動負(fù)載的有效功率；另一部分是轉(zhuǎn)差功率 只= s 巴，與轉(zhuǎn)差率s 成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是否 消耗掉還是得到回收，顯然是評價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的一種標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)， 可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類： ( 1 ) 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能的形式而消 耗掉。上述的第、三種調(diào)速方法都屬于這一類。在異步電機(jī)謝速系統(tǒng)之 中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低( 恒 轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)) ，越向下調(diào)速，效率越低。 ( 2 ) 轉(zhuǎn)差功率網(wǎng)饋型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，大部分則通過 變流裝置回饋給電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低，回收的功率越多。 上述第種調(diào)速方法一串級調(diào)速屬于這一一類。 ( 3 ) 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅損部分的消耗是不呵 避免的，但在這類系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率 最高。上述的第、兩種調(diào)速方式屬于此類。其中變極對數(shù)只能有級調(diào)速，應(yīng) 用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)， 取代直流調(diào)速，是最有發(fā)展前途的。 而對于同步電機(jī)來說，由于沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機(jī)調(diào) 速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型( 恒等于0 ) 的，而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是崮定 的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有別的型式。 從控制頻率的方式來分，同步電機(jī)調(diào)速有他控變頻調(diào)速和自控變頻凋速兩 類，后者也叫做無換向器電機(jī)調(diào)速。 三、現(xiàn)代交流調(diào)速的物質(zhì)基礎(chǔ) 從交流調(diào)速的發(fā)展歷史上看，早在半個(gè)多世紀(jì)以前，對現(xiàn)在常用的諸如變電 壓、串級、變壓變頻等交流調(diào)速方法的原理就都已經(jīng)很清楚了，只是由于要用電 磁元件和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組來實(shí)現(xiàn)，而控制性能又趕不上直流調(diào)速( 矢量控制尚未發(fā) 明) ，所以長期得不到推廣應(yīng)用。6 0 7 0 年代，有了靜止的電力電子裝置以后， 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文第章緒論 逐步解決了調(diào)速裝置要減少設(shè)備、縮小體積、降低成奉、提高效率、消除噪音等 問題，才使交流調(diào)速獲得了飛躍的發(fā)展。發(fā)明矢量控制之后，又提高了交流調(diào)速 系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能，但要實(shí)現(xiàn)矢量控制策略，需要復(fù)雜的模擬屯子電路，其計(jì) 算、制造和調(diào)試都很麻煩。采用微機(jī)控制以后，用軟件實(shí)現(xiàn)矢量控制算法，使硬 件電路規(guī)范化，從而降低了成本，提高了盯靠性，而且還有可能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更復(fù) 雜的控制技術(shù)。由此可見，電力電子和微機(jī)控制是現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的兩項(xiàng) 物質(zhì)基礎(chǔ)，也是推動交流調(diào)速系統(tǒng)不斷更新的動力。 1 電力電予器件與技術(shù)決定著現(xiàn)代交流調(diào)速的主要裝置 上世紀(jì)5 0 年代末，第一個(gè)普通晶閘管( s c r ) 在美國通用電氣公司的實(shí)驗(yàn)窒里 誕生，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的開端，從此“電子”進(jìn)入到強(qiáng)電領(lǐng)域，電力電子器 件成為弱電控制強(qiáng)電的紐帶。四卜多年來，電力電子器件經(jīng)歷了非常迅猛的發(fā)展 過程，從只能觸發(fā)導(dǎo)通不能控制關(guān)斷的半控型器件( 如晶閘管) ，到可以控制導(dǎo) 通和關(guān)斷的全控型器件；從電流控制到電壓( 電場) 控制；從低頻功率開關(guān)到高 頻功率開關(guān)；從單片元件到模塊化、集成化；從小功率( l 唧) 。 新一代的器件帶出來新一代的變流器，又推動了新一代交流調(diào)速裝罱的組成。 表卜2 為各種類型的電力電子器件。 類型代號名稱 不可控器件 d整流二極管( d i o d e ) 半控器件t h ，s c r普通晶閘管( t h y r i s t o r ) ，硅可控整流器 ( s i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) 電流b j t ( 曾用雙極型晶體管( b i p o l a rt r a n s i s t o r ) 控制g t r )曾用名：電力晶體管( g i a n t r a n s i s t o r ) 全器件g t o門極關(guān)斷晶閘管( g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) 控p m o s f e t電力場效應(yīng)晶體管( p o w e rm o sf i e l d e f f e c tt r a n s i s l o t ) 器場i g b t 絕緣柵雙極晶體管( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s is t o r ) 件控m c t 場控晶閘管( m o s c o n t r o l l e dt h y r i s t o r ) 器s i t 靜電感應(yīng)晶體管( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s is t o r ) 件s i t h 靜電感應(yīng)晶閘管( s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r ) 功率集成電路 p i c 功率集成電路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u it ) 12 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文篇一章緒論 時(shí)至今日，超大規(guī)模集成電路技術(shù)迅猛發(fā)展，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的新 趨勢就是發(fā)展功率集成電路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t p i c ) 。它是將電力 電子器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、一部分檢測電路、甚至與微機(jī)的接口電路等集 成在一個(gè)芯片內(nèi)，如圖卜9 所示。這樣，可以使整個(gè)器件的可靠性大幅度地提高， 而且設(shè)備體積小、材料省、功能多、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)，免去用戶設(shè)計(jì)或選用驅(qū) 動與保護(hù)電路的麻煩，用起來非常方便。制造p i c 的豐要技術(shù)困難是商低壓電路 之間的絕緣問題和溫升與散熱的有效處理問題，目前的產(chǎn)品只達(dá)到低壓小功率的 水平。有些公司采用表面貼裝技術(shù)制成混合功率模塊，如智能功率模塊 ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u e i p m ) 等，作為p i c 的過度產(chǎn)品，在交流變頻 調(diào)速器中已大量采用。 幽1 - 9功翠集成電路的構(gòu)成 2 微處理器的進(jìn)步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向 ( 1 ) 控制手段的發(fā)展最早的自動控制手段是機(jī)械控制，有些機(jī)械控制方法 至今還在沿用著，例如汽輪發(fā)電機(jī)的離心調(diào)速器等，但絕大部分都已經(jīng)發(fā)展成為 電氣控制。2 0 世紀(jì)5 0 年代以前的電氣控制手段主要是控制電器和電機(jī)放大機(jī)， 電予放大器只是作為輔助的裝置出現(xiàn)。自從電力電子器件發(fā)明以后，電力電子裝 置成了弱電控制強(qiáng)電的紐帶，電子控制就幾乎成了唯一的控制手段了。常用的電 子控制分為兩類：由模擬電子電路構(gòu)成的模擬控制和由數(shù)字電子電路構(gòu)成的數(shù)字 控制，前者用于連續(xù)控制，后者用于邏輯控制。結(jié)構(gòu)復(fù)雜而功能齊全的數(shù)字控制 系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為控制專用的計(jì)算機(jī)，而各種控制規(guī)律軟件化的實(shí)施又使得通用 計(jì)算機(jī)走進(jìn)了自動控制設(shè)備的范疇。在此基礎(chǔ)上，大規(guī)模集成電路微處理器的出 浙江大學(xué)碩十學(xué)位論文第一章緒論 現(xiàn)，把電子控制推上了一個(gè)嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn) 代自動控制系統(tǒng)中控制器的主要形式。 ( 2 ) 微機(jī)數(shù)字控制的優(yōu)越性和存在的問題與模擬控制相比，微機(jī)數(shù)字控 制以微處理器為核心的數(shù)字控制的優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，可靠性高。 控制軟件可以按需要更換、修改或移植，靈活性大。 消除了模擬控制中溫度漂移的影響，穩(wěn)定性好。 信息存儲、監(jiān)控、故障診斷以及分級控制的能力不斷提高。 隨著c p u 運(yùn)算速度和存儲容量的發(fā)展，各種新型的比較復(fù)雜的控制策略 都能夠?qū)崿F(xiàn)。 微機(jī)數(shù)字控制所面臨的主要問題是： 模擬量數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。 采樣周期離散化后，影響控制的實(shí)時(shí)性，甚至?xí)斐砷]環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 參數(shù)值、限幅值等都已寫在程序軟件中，不容易方便地隨時(shí)調(diào)整。 微處理器在提高速度和增加位數(shù)方面的進(jìn)步使得前兩個(gè)問題逐步得到克服， 而采用上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控則使最后一個(gè)問題迎刃而解。 ( 3 ) 單片機(jī)及數(shù)字信號處理器的發(fā)展開始采用微機(jī)控制時(shí)，總是選用 c p u 、r o m 、r a m 、定時(shí)計(jì)數(shù)器、i o 、a d 、d a 等芯片，組成最小微機(jī)系統(tǒng)。為 了適應(yīng)這種需要，一些公司開始在一塊芯片上直接集成這些部件，成為單片機(jī)。 就其組成而言，可以說，一塊單片機(jī)芯片就是一臺計(jì)算機(jī)。這樣來。大大縮小 了控制器的體積，降低了成本，發(fā)揮出很強(qiáng)的功能。因此單片機(jī)一問世就獲得了 很強(qiáng)的生命力，產(chǎn)量成倍地真線上升。隨著單片機(jī)產(chǎn)量的增加，其質(zhì)量也在不斷 得到改進(jìn)，性能不斷提高，主要表現(xiàn)在指令執(zhí)行周期的縮短和c p u 位數(shù)的增加上。 以i n t e l 公司為例，其產(chǎn)品的發(fā)展情況見表卜3 。 14 浙江人學(xué)碩i ：學(xué)位論文第一章緒論 表1 - 3i n t e 公司單片機(jī)的進(jìn)展 推出單片機(jī)典型 c p u中斷 年份系列芯片位數(shù)源指令執(zhí)行時(shí)間 1 9 7 6m c s 一4 88 0 8 48 22 5 u s 1 9 8 0m c 8 5 18 0 5 185 l p s ；不帶符號乘法4 u s 1 9 8 4m c s 一9 68 0 9 61 68 2 5 0 n s ；1 6 1 6 位，3 2 位1 6 位6 2 5 1 i l s 1 9 8 7m c s 一9 68 0 c 1 9 61 68 1 2 5 n s ；1 6 x 1 6 位1 7 5 1 a s ；3 2 位1 6 位3 o u s 這類單片機(jī)具有豐富的硬件資源和軟件資源，適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，但用十 大量數(shù)據(jù)處理或浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)則略有遜色，進(jìn)一步提高運(yùn)算速度有一定的困難。于 是有了數(shù)字信號處理器( d i g i t a 8 i g n a p r o c e s s o r d s p ) ，數(shù)字信號處理器 開始出現(xiàn)于8 0 年代初期，其中采取了系列措施，包括改變集成電路結(jié)構(gòu)、提 高時(shí)鐘頻率、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、采用指令列排隊(duì)方式以提高運(yùn)行效率、集成了硬件 乘法器使乘法運(yùn)算也能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成等等。丌始時(shí)，d s p 只用作提高運(yùn) 算速度的協(xié)處理器，本身的i o 接口很少，不適于單獨(dú)作控制器的單片機(jī)使用。 隨著產(chǎn)品性能的提高，其控制能力逐步擴(kuò)大，已經(jīng)成為一類高速的單片機(jī)。這類 高速單片機(jī)的相繼問世標(biāo)志著單片機(jī)發(fā)展的新動向。表l 一4 列出了美國t e x a s 儀器公司開發(fā)的t m s 3 2 0 系列數(shù)字信號處理器。 表1 4t m s 3 2 0 系列數(shù)字信號處理器 推出年份t m s 3 2 0 系列d s pc p u 位數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間 1 9 8 2t m s 3 2 0 - l o1 6 1 6 0 n s ( 含1 6 位乘法) 1 9 8 6t m 8 3 2 0 c 2 51 6 ( 定點(diǎn))1 0 0 n s ( 含乘法) 1 9 8 7t m s 3 2 0 c 3 03 2 ( 浮點(diǎn))6 0 n s ( 含乘法) 1 9 8 7t m s 3 2 0 c 4 0 3 2 ( 浮點(diǎn))4 0 、5 0 n s ( 含乘法) 1 9 8 8t m s 3 2 0 c 5 0 3 2 ( 定點(diǎn))3 5 n s ( 含乘法) ( 4 ) 其他一些微處理器的發(fā)展在電機(jī)控制中，某些特定的場合如果需要 實(shí)現(xiàn)更高性能指標(biāo)，要求微處理器的運(yùn)行速度更快，則可以使用精簡指令集計(jì)算 浙江大學(xué)碩l 學(xué)位論文第一章緒論 機(jī)( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r r i s c ) 。它在8 0 年代后期問世，是 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上的一次革命，使微處理器在運(yùn)行性能上獲得了質(zhì)的飛躍。在 r i s c 以| j ，微處理器的進(jìn)步往往只靠改進(jìn)v l s i 硬件的j r 藝，來提高時(shí)鐘頻率和 處理器速度。r i s c 則把著眼點(diǎn)放在經(jīng)常使用的基本指令的執(zhí)行效率上，依靠硬 件與軟件的優(yōu)化組合來提高速度。在r i s c 中，揚(yáng)棄了某些運(yùn)算復(fù)雜而用處不大 的指令，省出這些指令所占用的硬件資源，以提高簡單指令的運(yùn)行速度，提高軟 件運(yùn)行的總體效率。此外，r i s c 是一種矢量( 超標(biāo)量) 處理器，在一個(gè)給定周 期內(nèi)，能并行執(zhí)行多條指令，因而不能再簡單地用指令執(zhí)行時(shí)問來衡量運(yùn)算速度， 呵改為“每秒百萬條指令”( m e g ai n s t r u c t i o i l sp e rs e c o n d m i p s ) 。r i s c 從涎生之后的l o 年內(nèi)，其工作速度已從2 3 m i p s 上升到1 0 0 0 m i p s ( 1 9 9 5 年) ， 即相當(dāng)于每秒1 0 億次，從根本上改變了微處理器所包含的意義和應(yīng)用的范同。 另外，還有一類微處理器高級專用集成電路( a d v a n c e ds p e c i a l i z e d i n t e g r a t e e dc i r c u i t a s i c ) 。能夠完成特定功能的初級專用集成電路早已商 品化，例如交流變壓變頻用的s p t n j l 序列波發(fā)生器有h e f 4 7 5 2 ( 英國m u l l a r d 公 司產(chǎn)品，適用于開關(guān)頻率l k h z 以下) 、s l e 4 5 2 0 ( 德國兩門子公司產(chǎn)品，適用十 開關(guān)頻率2 0 k h z 以下) 、z p s 一1 0 1 ( 重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院產(chǎn)品) 等。而現(xiàn)代高級專用集 成電路的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)發(fā)生器，往往能夠包括種特定的控制系統(tǒng)，例如德 幽i a m l 9 9 4 年推出的v e c o n ，是一一個(gè)交流伺服系統(tǒng)的單片矢量控制器包含控制 器、能夠完成矢量運(yùn)算的d s p 協(xié)處理器、p w m 定時(shí)器、以及其它外圍和接口電路， 都集成在一個(gè)芯片之內(nèi)，使可靠性大為提高，而成本大為降低，且有助于專利技 術(shù)的保密。 可以說，微處理器技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展已成為電機(jī)控制技術(shù)尤其是交流調(diào)速技 術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。總之，從性能、成本和可靠性等方面綜合論證，采用仝 數(shù)字化設(shè)計(jì)( 單片微機(jī)或d s p 為控制電路主體) 和集驅(qū)動、保護(hù)于一體的i p m 模塊是目前電機(jī)交流調(diào)速的發(fā)展方向。全數(shù)字化的電機(jī)調(diào)速控制必將使電機(jī)更好 地應(yīng)用于日常生活、交通、軍事、醫(yī)療、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。 四、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。2 0 世紀(jì)6 0 年代后半期丌 始，電力電子器件從s c r ( 晶閘管) 、g t o ( 門極可關(guān)斷晶閘管) 、b j t ( 雙極型功率 晶體管) 、m o v s f e t ( 會屬氧化物場效應(yīng)管) 、s i t ( 靜電感應(yīng)晶體管) 、s i t h ( 靜電感 16 浙江人學(xué)碩t 學(xué)位論義第一章締淪 應(yīng)晶閘管) 、m g t ( m o s 控制晶體管) 、m c t ( m o s 控制晶體管) 發(fā)展到今天的i g b t ( 絕 緣柵雙極型晶體管) 、h v i g b t ( 耐高壓絕緣柵雙極型品閘管) ，器件的更新促使電 力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。2 0 世紀(jì)7 0 年代丌始脈寬調(diào)制變壓變頻( p w m v v v f ) 調(diào)速研究引起了人們的高度重視。2 0 世紀(jì)8 0 年代，作為變頻技術(shù)核心的p w m 模 式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波p w m 模式效果最佳。2 0 世紀(jì)8 0 年代后半期開始，美、同、德、英等發(fā)達(dá)幽家的v v v f 變頻器已投入市場并，“泛應(yīng)用。 v v v f 變頻器的控制相對簡單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足般傳動的 平滑調(diào)速要求，己在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻 時(shí)出于輸出電壓較小受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩 減小。另外其機(jī)械特性終究沒有直流電機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都 還不盡如人意，因此人們義研究出矢量控制變頻凋速。 矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將電機(jī)在三相坐標(biāo)系卜的定子交流電流i 。、j 。、 t 通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流，、f 再通過 按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流f 。，、f ，。( f ，相當(dāng) f 直流電機(jī)的勵磁電流：f ，相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流) ，然后模仿直流電 機(jī)的控制方法，求得直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的 控制。 矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈 難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電機(jī)控制過程中 所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。這足 矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足之處。 1 9 8 5 年由德國魯爾大學(xué)的德彭布羅克( d e p e n b r o c k ) 教授首次提出了直接轉(zhuǎn) 矩控制的理論，接著1 9 8 7 年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍不同于矢量控制技術(shù)，贏 接轉(zhuǎn)矩控制有著自己的特點(diǎn)。它在很大程度上解決了矢量控制中汁算控制復(fù)雜、 特性易受電機(jī)參數(shù)變化的影響、實(shí)際性能難于達(dá)到理論分析結(jié)果的一些重大問 題。 寓接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以其新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動態(tài) 性能受到了普遍的注意和得到迅速的發(fā)展。在短短不到1 0 年的時(shí)間里，單由德 l7 浙江人學(xué)頌十學(xué)位論文第一章緒論 圈工程師協(xié)會出版社出版的新技術(shù)叢書里，有關(guān)直接轉(zhuǎn)矩控制的博士論文就有幾 十本。目前該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。德國、日 本、美國都竟相發(fā)展此項(xiàng)新技術(shù)，預(yù)計(jì)未來幾年，該技術(shù)還會有較大的發(fā)展。 1 4 直線電機(jī)控制策略 一、傳統(tǒng)的控制策略 傳統(tǒng)的控制策略如p i 、p i d 反饋控制、解耦控制等，在交流伺服系統(tǒng)中得到 了廣泛的應(yīng)用。其中p i d 控制算法蘊(yùn)涵了動態(tài)控制過程的過去、現(xiàn)在和將來的信 息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中最 基本的控制形式，其應(yīng)_ j 廣泛，并與其他新型控制思想結(jié)合，形成了許多有價(jià)值 的控制策略。s m i t h 預(yù)估器與控制器并聯(lián)，可以使控制對象的時(shí)間滯后得到完全 的補(bǔ)償，這樣在設(shè)計(jì)控制器時(shí)就不必考慮對象的時(shí)滯影響，對解決伺服系統(tǒng)中逆 變器電力傳輸延遲和速度測量滯后所造成的速度反饋滯后影響時(shí)十分有效，與其 他控制算法結(jié)合，可形成更有效的控制策略。在直線永磁交流伺服電動機(jī)系統(tǒng)巾 存在著多個(gè)電磁變量和機(jī)械變量，在這些變量之間存在較強(qiáng)的耦合作用。為了提 高控制效果，往往在交流伺服電動機(jī)中要求實(shí)現(xiàn)矢量控制，使電流分解成兩個(gè)獨(dú) 立的分量，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。般是通過坐標(biāo)分解，使輸出力與交軸電流具有線 性關(guān)系。電路與速度回路也具有耦合作用，在動態(tài)過程中，可以采用解耦控制算 法加以解決，使各變量間的耦合減小到最低限度，以使各變量都能得到單獨(dú)的控 制。 二、現(xiàn)代控制策略 在對象模型確定、不變化且為線性，以及操作條件、運(yùn)行環(huán)境確定不變的條 件f ，采取傳統(tǒng)控制策略是簡單有效的。但在高精度微給進(jìn)的高性能場合，就必 須考慮對氖的結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化、各種非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干 擾等時(shí)變和不確定因素，才能得到滿意的控制效果。因此現(xiàn)代控制策略在直線伺 服電動機(jī)控制的研究中引起了很大的重卒見。 ( 1 ) 自適應(yīng)控制對于直線伺服電動機(jī)特性參數(shù)的緩慢變化這一類擾動及 其他外界干擾對系統(tǒng)伺服性能的影響，可以采用自適應(yīng)控制策略加以降低或消 除。自適應(yīng)控制大體可分為模型參考自適應(yīng)和自校正控制兩種類型。模型參考自 適應(yīng)控制的基本思想是在控制器控制對象組成的基本回路外，還建立一個(gè)由 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一常緒論 參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)電路。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出可吼改變控制器 的參數(shù)或?qū)刂茖ο螽a(chǎn)生附加的控制作用，使伺服電動機(jī)的輸出( 如速度) 和參 考模型的輸出保持一致。自校j f 控制的附加調(diào)節(jié)回路南辨識器和控制器設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu) 組成。辨識器根據(jù)對象的輸入和輸出信號，在線估算對象的參數(shù)，以對象參數(shù)的 估算值作為對象的真值送入控制器的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，按設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算， 計(jì)算結(jié)果送入可調(diào)控制器，形成新的控制輸出，以補(bǔ)償對象的特性變化。 ( 2 ) 變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表 現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。由于滑動模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，且與控制對象參數(shù)與擾動尤 關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動不敏感、無需在線識 別與設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。因而在伺服系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。但抖振問題限制了它在 某些場合的應(yīng)用。 ( 3 ) 魯棒控制針對控制對象模型的不確定性( 包括模型的不確定性、降階 近似、非線性的線性化、參數(shù)的特性時(shí)變、漂移、工作環(huán)境與外界擾動等) ，設(shè) 法保持系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性。主要方法有代數(shù)方法和頻域方法。頻域 方法是從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，日?？刂剖瞧渲休^為成熟的方法， 其實(shí)質(zhì)是通過使系統(tǒng)由擾動至偏差的傳遞函數(shù)矩陣的日。范數(shù)取極小或小于某 一給定值，據(jù)此來設(shè)計(jì)控制器，對抑制擾動具有良好的效果。 ( 4 ) 預(yù)見控制所謂預(yù)見控制是指對目標(biāo)值的過去、現(xiàn)在、將來和干擾信號 的未來情況完全知道的情況下使目標(biāo)值與被控量間的偏差整體達(dá)最小，所以就a 然地將其歸為在全控制過程期間的某一評價(jià)函數(shù)取最小值的最