一种永磁直线同步电机控制装置及方法

1.一种永磁直线同步电机控制方法，采用永磁直线同步电机控制装置进行控制，该装置，包括：整流逆变输出电路、控制电路和永磁直线同步电机，其中，
整流逆变输出电路：用于将电源提供的固定幅值相位值的交流电进行交-直-交变换，得到幅值、相位值可调的交流电，供给永磁直线同步电机；整流逆变输出电路进一步包括：
整流滤波电路和IPM逆变电路：
整流滤波电路：通过与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电；
IPM逆变电路：用于把整流滤波电路输出的直流电逆变成交流电，供给永磁直线同步电机；
控制电路：用于控制IPM逆变电路中的开关管通断，实现对永磁直线同步电机的控制；
控制电路进一步包括：DSP处理器、IPM隔离驱动保护电路、电流检测电路和位置速度检测电路：
DSP处理器：用于根据接收到的位置、速度和电流信号，执行互补滑模变结构控制算法，产生控制IPM逆变电路中的开关管通断的驱动信号；
IPM保护隔离驱动电路：用于隔离IPM逆变电路和控制电路，并用于驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作；
电流检测电路：用于将采集的电流模拟量转变为DSP处理器可以识别的数字量；
位置速度检测电路：用于将光栅尺采集的位置速度信号转化为可被DSP处理器识别的数字量；
所述的整流滤波电路经IPM逆变电路的输出端连接永磁直线同步电机，IPM逆变电路经电流检测电路连接DSP处理器的一路输入端，永磁直线同步电机的输出端经光栅尺、位置速度检测电路连接至DSP处理器的另一路输入端，DSP处理器的一路输出端经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端；
在所述的DSP处理器内处理信号的过程为：给定永磁直线同步电机位置信号后，与经光栅尺检测到的实际位置信号做差，产生位置误差信号，将位置误差信号作为互补滑模变结构控制器的输入量，经互补滑模变结构控制器计算得出电流控制信号，电流控制信号经DSP产生PWM脉冲序列，PWM脉冲序列控制IPM逆变电路的六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，送至永磁直线同步电机的动子，控制永磁直线同步电机的动子运动；
其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：给定永磁直线同步电机位置信号，该位置信号转换为控制电机运转的电压电流信号，使电机开始运动；
步骤2：采集永磁直线同步电机动子的实测位置信号、速度信号及电流信号；
电机运动后，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号，脉冲信号送DSP处理器，进行四倍频处理，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数确定动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，获得动子的位置信号；DSP处理器内部捕获单元对脉冲进行计数，再根据脉冲数除以采样周期得到永磁直线同步电机的速度；利用电流传感器采集动子电流；
步骤3：利用步骤2计算出的数据，采用互补滑模变结构控制算法，得出控制率，即永磁直线同步电机的控制电流，整个计算过程均在DSP中实现；具体步骤如下：
步骤3.1：将给定的永磁直线同步电机位置信号与永磁直线同步电机动子的实测位置信号作差，得到系统跟踪误差e为：
e＝dm(t)-d(t)   (1)
其中，d为永磁同步直线电机动子位置，dm为给定位置；
步骤3.2：建立永磁直线同步电机的机械运动方程和动态方程，针对步骤3.1得到的系统跟踪误差，设计互补滑模变结构控制器，得到控制率，具体如下：
步骤3.2.1：建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程，确定永磁直线同步电机动子位置与控制电流关系式；
建立d-q轴坐标系：对于永磁直线同步电机，取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴；
令电流内环d轴电流分量id＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电机的电磁推力方程和机械运动方程表达式为：
Fe＝Kfiq   (2)
式中，Kf为电磁推力常数，iq为q轴电流，M为永磁直线同步电机的动子和动子所带负载的总质量，B为粘滞摩擦系数，v为动子速度，表示动子速度的一阶导数，即动子加速度，F为扰动，包括电机参数变化、系统外界扰动及非线性摩擦力；
忽略扰动F的影响，利用机械运动方程(3)获得理想状态下的动态方程为：
式中， 为动子位置的二阶导数，表示动子加速度， 为动子位置的一阶导数，表示动子速度，u为控制器输出，u＝iq，即q轴电流，An＝-B/M，Bn＝Kf/M；
在具有扰动F的情况下，动态方程为：
式中，Cn＝-1/M，ΔA，ΔB和ΔC为系统参数M和B所引起的不确定量，H为集总不确定项，表示为：
这里，假设集总不确定项H有界，即|H|≤ρ，其中ρ为一给定的正常数；
步骤3.2.2：设计互补滑模变结构控制器，建立广义滑模面sg和互补滑模面sc，确定两个滑模面关系；
广义滑模面sg定义为：
式中，λ为一正常数，为跟踪误差的一阶导数，进而得到如下公式：
式中， 为广义滑模面sg的一阶导数，为跟踪误差的二阶导数， 为给定位置信号的二阶导数；
互补滑模面sc定义为：
根据广义滑模面sg和互补滑模面sc得到滑模面总和σ，公式如下：
确定广义滑模面sg和互补滑模面sc的关系为
步骤3.2.3：根据滑模等效控制部分ueq和滑模切换控制部分uv，确定滑模变结构控制率u，公式为：
u＝ueq+uv   (12)
式中，Φ为边界层厚度，sat(·)表示饱和函数，公式如下：
对互补滑模变结构控制系统选择的李雅普诺夫函数为：
对李雅普诺夫函数求导，结合式(8)和式(11)，可以得到
将式(8)、式(11)和式(12)-(14)，代入至式(17)中，可得：
其中，|sg+sc|≥Φ表示边界层外；μ为一正值；这确保了任意的位置误差都能在有限时间内到达边界层，即|sg+sc|≤Φ；此外，位置跟踪误差的最终边界可以限定为如下式子：
其中，任意时间在边界层都有|sg+sc|≤Φ；
由于两个滑模面同时满足式(18)的到达条件，那么始于边界层外的跟踪误差会在有限时间内到达边界层，且沿着两个滑模面sg＝sc＝0的交集向零点的邻域滑动，即 和因此，可以保证互补滑模变结构系统的稳定性和在有限时间内封闭区域的跟踪误差的收敛性；
步骤3.2.4：步骤3.2.3输出的滑模变结构控制率u即为电流控制信号，该电流信号经IPM逆变电路，驱动永磁直线同步电机运动；
步骤4：DSP处理器根据步骤3调整好的电流控制信号，DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行；
通过光电隔离驱动电路将DSP输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流滤波电路后，变为稳定的直流电送至IPM，IPM根据DSP产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电机动子运行。

一种永磁直线同步电机控制装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于数控技术领域，特别涉及一种永磁直线同步电机控制装置及方法。\n背景技术\n[0002] 近年来，随着电力电子器件的性能不断提高，直驱控制技术的日趋成熟，用于数控机床的永磁同步直线电机受到了人们的重视，在本体和控制策略方面展开了大量的研究，并取得了相当多的成果。高档数控机床采用直线电机驱动是未来的发展趋势，大推力直线电机正在成为高档数控机床的关键基础部件，国家也将大力扶持和推进直线电机控制与驱动技术的研究，所以研究直线电机新的控制技术，提高我国在直线电机领域的理论研究和工业应用水平具有重要意义。\n[0003] 在近半个世纪以来，虽然数控机床的进给驱动技术在不断改进，但大多数伺服系统进给方式仍为“旋转电机+丝杠”，系统刚度大大降低，中间环节在加减速时降低了其快速性，这大大影响了伺服系统的伺服性能。而永磁直线同步电机利用高能永磁体，省去中间转换机构，具有推力强度大、损耗低、运行可靠性高、时间常数小、装置简单、响应快等特点，极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度。由于永磁直线同步电动机铁心和绕组的两个端部区域与其中间位置的磁场分布显著不同，再加上参数摄动等不确定因素，很难精确的建立永磁直线同步电机的数学模型。同时，由于直线电机采用直接驱动方式，系统的负载扰动、参数摄动等不确定因素将直接作用于电动机，而没有任何中间的缓冲过程，这大大增加了直线电机的控制难度。\n[0004] 目前，国内外已经研究和发表了很多控制理论和控制算法来改善定位系统的精度。然而，在满足定位系统的可靠性和稳定性的前提下，将位置误差减小至最小都是这些控制理论的同一目标。所以，高精密智能控制已经成为数控机床技术发展的趋势。在这些控制策略中，滑模变结构控制较其他控制方法具有更好的鲁棒性，动态性能也较好。但传统滑模变结构控制的跟踪误差较大，系统响应速度也较慢，这难以满足高精度性能要求。\n[0005] 综上所述，为了满足数控技术的高精度、高速度的伺服系统性能要求，需要设计出适用于永磁同步直线电机的高速度、高精度和强鲁棒性的伺服控制系统，所以本发明提出了一种永磁直线同步电机控制装置及方法。\n发明内容\n[0006] 针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种永磁直线同步电机控制装置及方法，使数控技术的性能满足高精度、高速度和强鲁棒性的要求。\n[0007] 本发明的技术方案是这样实现的：一种永磁直线同步电机控制装置，包括：整流逆变输出电路、控制电路和永磁直线同步电机，其中，\n[0008] 整流逆变输出电路：用于将电源提供的固定幅值相位值的交流电进行交-直-交变换，得到幅值、相位值可调的交流电，供给永磁直线同步电机；整流逆变输出电路进一步包括：整流滤波电路和IPM逆变电路：\n[0009] 整流滤波电路：通过与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电；\n[0010] IPM逆变电路：用于把整流滤波电路输出的直流电逆变成交流电，供给永磁直线同步电机；\n[0011] 控制电路：用于控制IPM逆变单元中的开关管通断，实现对永磁直线同步电机的控制；控制电路进一步包括：DSP处理器、IPM隔离驱动保护电路、电流检测电路和位置速度检测电路：\n[0012] DSP处理器：用于根据接收到的位置、速度和电流信号，执行互补滑模变结构控制算法，产生控制IPM逆变单元中的开关管通断的驱动信号；\n[0013] IPM保护隔离驱动电路：用于隔离IPM逆变电路和控制电路，并用于驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作；\n[0014] 电流检测电路：用于将采集的电流模拟量转变为DSP处理器可以识别的数字量；\n[0015] 位置速度检测电路：用于将光栅尺采集的位置速度信号转化为可被DSP处理器识别的数字量；\n[0016] 所述的整流滤波电路经IPM逆变电路的输出端连接永磁直线同步电机，IPM逆变电路经电流检测电路连接DSP处理器的一路输入端，永磁直线同步电机的输出端经光栅尺、位置速度检测电路连接至DSP处理器的另一路输入端，DSP处理器的一路输出端经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端。\n[0017] 所述的DSP内的信号处理过程为：给定永磁直线同步电机位置信号后，与经光栅尺检测到的实际位置信号做差，产生位置误差信号，将位置误差信号作为互补滑模变结构控制器的输入量，经互补滑模变结构控制器计算得出电流控制信号，电流控制信号经DSP产生PWM脉冲序列，PWM脉冲序列控制IPM逆变电路的六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，送至永磁直线同步电机的动子，控制永磁直线同步电机的动子运动。\n[0018] 一种永磁直线同步电机控制方法，包括以下步骤：\n[0019] 步骤1：给定永磁直线同步电机位置信号，该位置信号转换为控制电机运转的电压电流信号，使电机开始运动；\n[0020] 步骤2：采集永磁直线同步电机动子的实测位置信号、速度信号及电流信号；\n[0021] 电机运动后，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号，脉冲信号送DSP处理器，进行四倍频处理，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数确定动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，获得动子的位置信号；DSP处理器内部捕获单元对脉冲进行计数，再根据脉冲数除以采样周期得到永磁直线同步电机的速度；利用电流传感器采集动子电流；\n[0022] 步骤3：利用步骤2计算出的数据，采用互补滑模变结构控制算法，得出控制率，即永磁直线同步电机的控制电流，整个计算过程均在DSP中实现。具体步骤如下：\n[0023] 步骤3.1：将给定的永磁直线同步电机位置信号与永磁直线同步电机动子的实测位置信号作差，得到系统跟踪误差e为：\n[0024] e＝dm(t)-d(t)       (1)\n[0025] 其中，d为永磁同步直线电机动子位置，dm为给定位置；\n[0026] 步骤3.2：建立永磁直线同步电机的机械运动方程和动态方程，针对步骤3.1得到的系统跟踪误差，设计互补滑模变结构控制器，得到控制率，具体如下：\n[0027] 步骤3.2.1：建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程，确定永磁直线同步电机动子位置与控制电流关系式；\n[0028] 建立d-q轴坐标系：对于永磁直线同步电机，取永磁体基波励磁磁场轴线(永磁体磁极轴线)为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴；\n[0029] 令电流内环d轴电流分量id＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电机的电磁推力方程和机械运动方程表达式为：\n[0030] Fe＝Kfiq      (2)\n[0031]\n[0032] 式中，Kf为电磁推力常数，iq为q轴电流，M为永磁直线同步电机的动子和动子所带负载的总质量，B为粘滞摩擦系数，v为动子速度， 表示动子速度的一阶导数，即动子加速度，F为扰动，包括电机参数变化、系统外界扰动及非线性摩擦力；\n[0033] 忽略扰动F的影响，利用机械运动方程(3)获得理想状态下的动态方程为\n[0034]\n[0035] 式中， 为动子位置的二阶导数，表示动子加速度， 为动子位置的一阶导数，表示动子速度，u为控制器输出，u＝iq，即q轴电流，An＝-B/M，Bn＝Kf/M；\n[0036] 在具有扰动F的情况下，动态方程为：\n[0037]\n[0038] 式中，Cn＝-1/M，ΔA，ΔB和ΔC为系统参数M和B所引起的不确定量，H为集总不确定项，表示为：\n[0039]\n[0040] 这里，假设集总不确定项H有界，即|H|≤ρ，其中ρ为一给定的正常数；\n[0041] 步骤3.2.2：设计互补滑模变结构控制器，建立广义滑模面sg和互补滑模面sc，确定两个滑模面关系；\n[0042] 广义滑模面sg定义为：\n[0043]\n[0044] 式中，λ为一正常数，为跟踪误差的一阶导数，进而得到如下公式：\n[0045]\n[0046] 式中， 为广义滑模面sg的一阶导数，为跟踪误差的二阶导数， 为给定位置信号的二阶导数；\n[0047] 互补滑模面sc定义为：\n[0048]\n[0049] 根据广义滑模面sg和互补滑模面sc得到滑模面总和σ，公式如下：\n[0050]\n[0051] 确定广义滑模面sg和互补滑模面sc的关系为\n[0052]\n[0053] 步骤3.2.3：根据滑模等效控制部分ueq和滑模切换控制部分uv，确定滑模变结构控制率u，公式为：\n[0054] u＝ueq+uv         (12)\n[0055]\n[0056] 式中，Φ为边界层厚度，sat(·)表示饱和函数，公式如下：\n[0057]\n[0058] 步骤3.2.4：步骤3.2.3输出的滑模变结构控制率u即为电流控制信号，该电流信号经IPM逆变电路，驱动永磁直线同步电机运动；\n[0059] 步骤4：DSP处理器根据步骤3调整好的电流控制信号，DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行。\n[0060] 通过光电隔离驱动电路将DSP输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流滤波电路后，变为稳定的直流电送至IPM，IPM根据DSP产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电机动子运行。\n[0061] 本发明的有益效果：本发明采用互补滑模变结构控制器对位置误差信号处理计算，滑模面采用了广义滑模面与互补滑模面相结合的设计，这种设计可以使系统状态向两滑模面的交点处移动，进而使系统拥有较传统控制更快的响应速度，且位置误差精度得到明显提高，而且互补滑模变结构控制仍具有传统滑模的强鲁棒性特点。采用上述方法，也使永磁直线同步电机拥有高速度、高精度和强鲁棒性的伺服系统性能。\n附图说明\n[0062] 图1为本发明一种实施方式一种永磁直线同步电机控制装置总结构框图；\n[0063] 图2为本发明一种实施方式一种永磁直线同步电机控制装置的结构示意图；\n[0064] 图3为本发明一种实施方式整流逆变输出电路的电路原理图；\n[0065] 图4为本发明一种实施方式DSP处理器电路原理图；\n[0066] 图5为本发明一种实施方式DSP电源的电平变换电路的电路原理图；\n[0067] 图6为本发明一种实施方式Fault信号采集电路的电路原理图；\n[0068] 图7为本发明一种实施方式DSP晶振电路的电路原理图；\n[0069] 图8为本发明一种实施方式JTAG电路的电路原理图；\n[0070] 图9为本发明一种实施方式DSP复位电路的电路原理图；\n[0071] 图10为本发明一种实施方式互补滑模变结构控制器结构示意图；\n[0072] 图11为本发明一种实施方式IPM保护隔离驱动电路的电路原理图；\n[0073] 图12为本发明一种实施方式电流检测电路的电路原理图；\n[0074] 图13为本发明一种实施方式位置速度检测电路的电路原理图；\n[0075] 图14为本发明一种实施方式基于互补滑模变结构的永磁直线同步电机控制方法流程图；\n[0076] 图15为本发明实施例永磁直线同步电机空载时基于传统滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线图；\n[0077] 图16为本发明实施例永磁直线同步电机空载时基于互补滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线图；\n[0078] 图17为本发明实施例永磁直线同步电机负载为40N时基于传统滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线图；\n[0079] 图18为本发明实施例永磁直线同步电机负载为40N时基于互补滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线图。\n具体实施方式\n[0080] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。\n[0081] 一种永磁直线同步电机控制装置，其总体结构如图1所示，包括：整流逆变输出电路1、控制电路2和永磁直线同步电机3。其中，整流逆变输出电路1进一步包括整流滤波电路\n4和IPM逆变电路5；控制电路2进一步包括IPM保护隔离驱动电路6、电流检测电路7、位置速度检测电路8和DSP处理器9。此外，在永磁直线同步电机3和位置速度检测电路8之间还连接有光栅尺11，用来采集永磁直线同步电机3的实际位置信号和速度信号。在IPM逆变电路5的输出端和电流检测电路7的输入端，还连接有霍尔传感器10，用来采集电流信号实际值，其整体结构示意图如图2所示。\n[0082] 图2中，整流逆变输出电路1作为整个控制装置的输入端，用来接收由用户给定的永磁直线同步电机的最终运动位置的信号。整流逆变输出电路将电源提供的固定幅值相位值的交流电通过整流电路，得到稳定的直流电，然后直流电通过IPM逆变电路，逆变为可以驱动永磁直线同步电机的三相交流电，驱动永磁直线同步电机运动。\n[0083] 整流逆变输出电路1中，整流滤波电路4的与IPM逆变电路5相连接。整流逆变输出电路原理图如图3所示。整流滤波电路4用来得到稳定的直流电，IPM逆变电路5用来将整流滤波电路4得到的稳定直流电逆变为满足需要的三相交流电。\n[0084] 整流滤波电路4中的整流桥阳极连接到IPM主电源的N端，其阴极连接到IPM主电源的P端，IPM输出的三相电流通过输出端子U，V，W接至永磁同步直线电机PMLSM。P、N为变频器的整流变换平滑滤波后的IPM主电源输入端子，P为正端，N为负端。整流滤波单元采用桥式不可控制整流方式，大电容滤波，这样可以获得适合于IPM工作的恒定电压。\n[0085] 本实施方式中，若常开触点开关A闭合后，继电器k得电，然后触电K和触电k均闭合，此时整个整流逆变输出电路和永磁直线同步电机开始工作。电机工作后，若断开常闭触点开关B，继电器失电，触电K和触电k均断开，此时整个系统停止工作。电路工作时，三相交流电经变压器，将220V电压转变为有效值大小约为IPM输入端电压大小的三相交流电，然后经整流桥晶体管电路，得到脉动的直流电压，经大电容C滤波后，可以使脉动的直流电压变得稳定或平滑，然后将稳定的电压加在IPM的PN两端。此时已经变换完成的直流电通过IPM逆变电路，逆变为可变压可变频的变频三相交流电，驱动永磁直线同步电机。其中IPM逆变电路中的IGBT是由控制电路输出的PWM脉冲序列控制其通断的，目的是为了得到满足要求的幅值相位的三相交流电。\n[0086] 控制电路2中，DSP处理器9接收来自电流检测电路7的输出信号和位置速度检测电路8的输处信号，经DSP处理器9对该两路信号的处理，将结果信号经IPM保护隔离驱动电路6输出给IPM逆变电路5。本实施方式中，DSP处理器的型号为TMS320F2812，其外围电路连接结构原理图如图4所示。DSP处理器外围电路包括电平转换电路12、Fault信号采集电路13、DSP晶振电路14、JTAG电路15、DSP复位电路16，如图5～9所示。\n[0087] 电平转换电路将12V电源电压转换为DSP供电的3.3V工作电压。Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，由DSP处理器中断程序来处理故障，。晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP的X1(77引脚)、X2(76引脚)接口。JTAG电路用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题，JTAG接口电路的引脚\n1、2、3、5、7、11、13、14分别接DSP的引脚126、135、131、69、127、136、137、146。复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中DS1818的1脚接DSP的160脚。\n[0088] IPM保护隔离驱动电路，如图11所示。IPM保护隔离驱动电路具有高集成度和小体积的特点，其内部封装了门极驱动控制电路、故障检测电路和各种保护电路，用IPM保护隔离驱动电路代替功率器件作为电源功率器件。电流通过IPM处理后，通入永磁直线同步电机中，电机实现运动。在电机运动的过程中，光栅尺检测电机的位置和速度，电流检测由霍尔传感器来实现。位置、速度和电流三个检测量通过检测电路送入DSP处理器，经过DSP中的控制算法的运算，将运算结果送入到IPM模块中，通过对IPM模块中功率器件通断的控制，来实现对电机的控制。\n[0089] IPM逆变电路输出后的两相电流经霍尔电流传感器与两路电流检测电路相连，PMLSM经光栅尺与位置速度检测电路相连。IPM的控制端子与IPM隔离驱动保护电路相连。\nIPM隔离驱动的输入端与DSP的PWM端口相连，电流检测电路的输出端与DSP的ADC端口相连，位置速度检测电路的输出端与DSP的QEP端口相连。\n[0090] 电流检测电路，如图12所示。电流检测电路是把永磁同步电机的三相动子电流经传感器后进入DSP转换成是数字形式并进行一系列的变换。由于本系统是三相平衡系统，即三相电流矢量和为零，因此只需要检测其中两相电流，就可以得到三相电流。本系统采用LTS25-NP型传感器来检测电流。\n[0091] 位置速度检测电路，如图13所示。光栅尺信号不能直接连接到DSP引脚，所以将两相正交的方波脉冲信号A和B，通过高速光耦HCPL4504，送至DSP两个捕获单元QEP1(106引脚)和QEP2(107引脚)。DSP内部捕获单元可使用软件定义为正交编码脉冲输入单元，之后可以对脉冲进行计数，根据脉冲序列可以判断永磁直线同步电机的运动方向、位置和速度。\n[0092] 互补滑模变结构控制器在DSP处理器9内实现，互补滑模变结构控制在DSP处理器9中的处理结果等效图如图10所示。互补滑模变结构控制器的输入为位置误差信号，即给定位置信号与实际位置信号之差。\n[0093] 所述的DSP内的信号处理过程为：给定永磁直线同步电机位置信号后，与经光栅尺检测到的实际位置信号做差，产生位置误差信号，将位置误差信号作为互补滑模变结构控制器的输入量，经互补滑模变结构控制器计算得出电流控制信号，电流控制信号经DSP产生PWM脉冲序列，PWM脉冲序列控制IPM逆变电路的六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，送至永磁直线同步电机的动子，控制永磁直线同步电机的动子运动。\n[0094] 本实施方式采用的基于互补滑模变结构的永磁直线同步电机控制装置对永磁同步电机进行控制的方法，如图14所示，包括以下步骤：\n[0095] 步骤1：给定永磁直线同步电机位置信号，该位置信号转换为控制电机运转的电压电流信号，使电机开始运动；\n[0096] 步骤2：采集永磁直线同步电机动子的实测位置信号、速度信号及动子电流；\n[0097] 电机运动后，光栅尺经位置速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号，脉冲信号送DSP处理器，进行四倍频处理，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数确定动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，获得动子的位置信号；DSP处理器内部捕获单元对脉冲进行计数，再根据脉冲数除以采样周期得到永磁直线同步电机的速度；利用霍尔传感器采集动子电流。\n[0098] 步骤3：利用步骤2计算出的数据，采用互补滑模变结构控制算法调整永磁直线同步电机动子的位置信号，具体步骤如下：\n[0099] 步骤3.1：将给定的永磁直线同步电机位置信号与永磁直线同步电机动子的实测位置信号作差，得到系统跟踪误差e为：\n[0100] e＝dm(t)-d(t)        (1)\n[0101] 其中，d为永磁同步直线电机动子位置，dm为给定位置。\n[0102] 步骤3.2：建立永磁直线同步电机系统方程，针对步骤3.1得到的系统跟踪误差，设计互补滑模变结构控制器，得到控制率，具体如下：\n[0103] 步骤3.2.1：建立永磁直线同步电机的机械运动方程及系统动态方程，确定永磁直线同步电机动子位置与控制电流关系式；\n[0104] 建立d-q轴坐标系：对于永磁直线同步电机，取永磁体基波励磁磁场轴线(永磁体磁极轴线)为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴；\n[0105] 令电流内环d轴电流分量id＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电机的电磁推力方程和机械运动方程表达式为：\n[0106] Fe＝Kfiq       (2)\n[0107]\n[0108] 式中，Kf为电磁推力常数，iq为q轴电流，M为永磁直线同步电机的动子和动子所带负载的总质量，B为粘滞摩擦系数，v为动子速度，表示动子速度的一阶导数，即动子加速度，F为扰动，包括电机参数变化、系统外界扰动及非线性摩擦力；\n[0109] 忽略扰动F的影响，利用机械运动方程(3)获得理想状态下的动态方程，公式如下：\n[0110]\n[0111] 式中， 为动子位置的二阶导数，表示动子加速度， 为动子位置的一阶导数，表示动子速度，u为控制器输出，An＝-B/M，Bn＝Kf/M；\n[0112] 在具有扰动F的情况下，动态方程为：\n[0113]\n[0114] 式中，Cn＝-1/M，ΔA，ΔB和ΔC为系统参数M和B所引起的不确定量，H为集总不确定项，表示为：\n[0115]\n[0116] 这里，假设集总不确定项H有界，即|H|≤ρ，其中ρ为一给定的正常数。控制目的是设计一个控制系统，以便动子位置d(t)能渐近跟踪任意给定指令dm(t)，假设，dm(t)以及它的一阶导数 二阶导数 都是关于时间的有界函数。\n[0117] 步骤3.2.2：设计互补滑模变结构控制器，建立广义滑模面sg和互补滑模面sc，确定两个滑模面关系；\n[0118] 为了实现在不确定性因素存在的情况下，永磁直线同步电机动子实际位置d(t)能精确跟踪给定位置dm(t)，设计了互补滑模变结构控制器，为了解决控制问题，需要寻找一个控制率，来达到控制目标，根据步骤3.1定义的跟踪误差，广义滑模面sg定义为：\n[0119]\n[0120] 式中，λ为一正常数，为跟踪误差的一阶导数，对式(6)进行求微分，结合式(5)，得到如下公式：\n[0121]\n[0122] 式中， 为广义滑模面sg的一阶导数，为跟踪误差的二阶导数， 为给定位置信号的二阶导数。\n[0123] 然后，设计互补滑模面sc为：\n[0124]\n[0125] 对应于同一正常数λ，根据广义滑模面sg和互补滑模面sc得到滑模面总和σ，公式如下：\n[0126]\n[0127] 确定广义滑模面sg和互补滑模面sc的关系为\n[0128]\n[0129] 对互补滑模变结构控制系统选择的李雅普诺夫函数为：\n[0130]\n[0131] 对李雅普诺夫函数求导，结合式(8)和式(11)，可以得到\n[0132]\n[0133] 步骤3.2.3：根据步骤3.2.2中的式(13)，得到互补滑模变结构控制率u；\n[0134] u＝ueq+uv       (14)\n[0135]\n[0136]\n[0137] 式中，ueq表示滑模等效控制部分，uv表示滑模切换控制部分，Φ为边界层厚度，sat(·)表示饱和函数，公式如下：\n[0138]\n[0139] 将式(8)、式(11)和式(14)—(16)，代入至式(13)中，可得：\n[0140]\n[0141] 其中，|sg+sc|≥Φ表示边界层外；μ为一正值。这确保了任意的位置误差都能在有限时间内到达边界层，即|sg+sc|≤Φ。此外，位置跟踪误差的最终边界可以限定为如下式子：\n[0142]\n[0143] 其中，任意时间在边界层都有|sg+sc|≤Φ。\n[0144] 由于两个滑模面同时满足式(18)的到达条件，那么始于边界层外的跟踪误差会在有限时间内到达边界层，且沿着两个滑模面(sg＝sc＝0)的交集向零点的邻域滑动，即和 因此，可以保证互补滑模变结构系统的稳定性和在有限时间内封闭区域\n的跟踪误差的收敛性。\n[0145] 步骤3.2.4：步骤3.2.3输出的滑模变结构控制率u即为电流控制信号，该电流信号经IPM逆变电路，驱动永磁直线同步电机运动；\n[0146] 步骤4：DSP处理器根据步骤3调整好的电流控制信号，DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁直线同步电机运行。\n[0147] 通过光电隔离驱动电路将DSP输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流滤波电路后，变为稳定的直流电送至IPM，IPM根据DSP产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电机动子运行。\n[0148] 为了验证该算法的有效性，选择永磁直线同步电机参数如下：电磁推力常数Kf＝\n50.7N/A，永磁直线同步电机的动子质量M＝16.4kg，粘滞摩擦系数B＝8.0N·s/m。采用MATLAB进行仿真。\n[0149] 根据提供的电机参数，及本发明中设计互补滑模变结构控制器，经MATLAB反复调试，使得效果最优，参数选择如下：ρ＝1.5，λ＝8.5，Φ＝0.0015。跟踪信号dm给定信号如下：\n0～10秒为幅值为1mm，频率为0.2Hz的正弦波；10～20秒为幅值为1mm，频率为0.3Hz的正弦波。\n[0150] 负载选择为空载和负载为40N两种情况。永磁直线同步电机空载时，基于传统滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线如图15所示，基于互补滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线如图16所示；永磁直线同步电机负载为40N时，基于传统滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线如图17所示，基于互补滑模变结构控制器的系统跟踪误差曲线如图18所示。\n[0151] 根据仿真图可以看出，在空载和负载40N的情况下，互补滑模变结构控制系统的跟踪误差只是传统滑模变结构控制系统的跟踪误差的一半左右。且两种滑模变结构控制系统相比较，互补滑模变结构控制系统的跟踪误差能较快趋近于零。从仿真图可以看出，互补滑模变结构控制提高了系统的跟踪精度，系统的动态响应更快，同时具有较强的鲁棒性能，验证了该算法的有效性。\n[0152] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。