专利名称：一种直线电机运行速度及位移控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明属于永磁直线同步电机(PMLSM)控制技术，特别是一种利用虚拟仪器 (Virtual Instrument)技术、通过个人计算机(PC)平台控制永磁直线同步电机(PMLSM)运 动的技术。
背景技术：
传统的永磁直线同步电机(PMLSM)伺服控制是采用高速数字信号处理器(DSP)作 为控制系统核心，其控制系统的结构如图1所示；该控制系统通过DSP采集直线电机动子的 位移和电机初级绕组的相电流，然后通过处理后产生的空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号、 控制逆变器六个功率开关的开断状态，使逆变器输出三相控制电流，在电机初级表面形成 行波磁场，最终使电机在此行波磁场的作用下进行运动。在实际控制系统中，为了用户操作 的方便，采用个人计算机(PC)机作为上位机并通过RS232或GPIB与DSP进行通信、最后经 DSP控制PMLSM的运动，从而达到控制直线电机运动的目的。上述基于DSP的控制系统中，DSP是整个控制系统的核心，虽然也用到了 PC机，但 只是与PC进行通信和数据传输，并没有利用PC机处理器的高速处理能力。而DSP的运算 (处理)速度是有一定限度的(如TI公司的TMS320F28X型DSP，其最大处理(运算)速度 为150MIPS，即只有目前普通PC机处理(运算)速度的1/1000，很难对永磁直线同步电机 (PMLSM)采用更复杂、更精密的控制处理方法(算法)，如模糊控制处理方法(算法)、自适 应控制处理方法(算法)、神经网络控制处理方法(算法)等，因而存在电机运行的调速范 围窄、速度低，位移控制精度差等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种直线电机运行速度及位 移控制系统及其控制方法，以达到有效提高针对直线电机运行的调速范围、运行速度及位 移控制精度等目的。本发明的解决方案是利用虚拟仪器(Virtual Instrument)技术，在控制系统中采 用多功能数据采集卡采集数据、并将其插入到PC机的PCI插槽中，与PC机融为一体、代替 原控制系统中的高速数字信号处理器(DSP)作为整个控制系统的核心，即直接利用PC机 中的CPU对数据采集卡采集到的数据进行处理，同时利用PC机成熟而可靠的操作系统，有 效地提高系统的处理、控制能力，速度、位移控制的精度及系统的运行效率等，从而实现其 发明目的。因此，本发明控制系统包括PC机，逆变器及对其输出电流采样的电流传感器，对 直线电极动子位置信息采样的位移传感器，关键在于在逆变器、电流传感器和位移传感器 与计算机之间还设有数据采集卡，该数据采集卡直接插于PC机的PCI插槽内与PC机组成 (计算机)控制平台，数据采集卡的6路数字输出口与逆变器对应的功率开关接口进行连 接，数据采集卡的模拟输入端口分别与电流传感器的两个输出端口连接以获取经电流传感 器其转换后的电压信号，数据采集卡正交解码端口直接与位移传感器的输出端口连接以获取直线电机的位移。所述的数据采集卡为基于PCI总线的多功能数据采集卡；如PCI_6221或 PCI-6289数据采集卡(美国国家仪器(Ni)公司生产)。上述控制系统对直线电机运行速度及位移的控制方法，包括A.初始化处理在原有计算机平台操作系统基础上调用数据采集卡的驱动程序， 对数据采集卡的数字输出、模拟输入和正交解码器进行初始化，然后将直线电机运行速度 及位移控制系统的控制处理程序(方法)置入PC机的内存中，以备中央处理器(CPU)调 用；B.直线电机启动启动时，由计算机控制平台发出启动(控制)信号，使逆变器输 出三相相位差为120度的正弦电流，电机在行波磁场的作用下以设定的速度和方向做开环 运动，使电机运行到零点位置或设定的位置；C.直线电机闭环运行当直线电机(动子)到达零点位置或设定位置后，位移传 感器和电流传感器启动(工作)，电流传感器将采集到的电流信号转换成电压信号、位移传 感器采集电机的位移信号，同时经数据采集卡输入PC机的中央处理器，获取电机三相绕组 的电流和电机动子当前的位移、速度，并与设定的目标位移、速度进行比较，并根据其结果 向逆变器发出调整信号，以调节直线电机的运行状态(速度、加速度、位移)，实现对直线电 机的闭环控制、维持其正常运动；D.直线电机的制动当用户发出紧急停止指令时，计算机控制平台经数据采集卡 和逆变器向直线电机发出制动控制信号，直线电机停止运行；而当位移传感器采集到的位 移值与设定的位移值(目标位移)相等时，计算机控制平台经数据采集卡和逆变器向直线 电机发出制动信号，电机停止运动。上述直线电机运行速度及位移控制系统的控制处理程序包括模糊控制处理程序 (方法)、自适应控制处理程序(方法)，神经网络控制处理程序(方法)，模糊PID控制处 理程序(方法)。本发明将多功能数据采集卡直接插入PC机的PCI插槽中、与PC机融为一体作为 整个控制系统的核心，直接利用PC机中的CPU对数据采集卡采集到的数据进行处理，并利 用PC机成熟而可靠的操作系统，有效地提高了系统的处理、控制能力；克服了背景技术采 用自带微处理器的高速数字信号处理器(DSP)处理能力差、对电机运行的调速范围窄、速 度低，位移控制精度差等缺陷。而具有可有效提高针对直线电机运行的调速范围、运行速度 及位移控制精度，满足对直线电机高速、高精度运行的要求等特点。
图1为采用高速数字信号处理器(DSP)作为控制系统核心的控制系统结构示意 图；其中DSP为独立设置的数字信号处理器；图2.为本发明控制系统结构示意图(同时作为摘要附图)；图中虚线框内部分 为计算机(PC机)平台，其中数据采集卡直接插于PC机内的PCI插槽中与PC机固定连接 成一体，为了能清楚表示出计算机(PC机)平台与逆变器等的连接关系、该附图特将其移出 PC机外示出；图3.为实施例1控制系统在一个PWM(脉宽调制)周期内处理的流程示意图。
具体实施例方式实施例1 本实施例以采用模糊控制处理的永磁直线同步电机(PMLSM)控制系统 为例PC机采用Intel酷睿2双核2. 4GHz、64位CPU，内存为2G ；数据采集卡采用NI公司生 产的型号为PCI-6221多功能数据采集卡，其中PCI总线，最大带宽为132MB/S，设有16个 单端模拟输入通道(分辨率16bits，输入范围士 10V，采样率250ks/s)、8个差分模拟输入 通道(分辨率16bits，输入范围士 10V，最大采样率250ks/s)，2个模拟输出通道(分辨率 16bits，输出范围士 10V，最大输出速率833ks/s)，24个数字I/O 口(最大时钟速率1MHz， 单通道电流驱动能力24mA)，2个计数器/定时器(分辨率32bits，最大信号源频率80MHz， 最小脉冲输入宽度12. 5ns)；逆变器采用6个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率开关； 电流传感器采用型号为CS100B的霍尔电流传感器(南京茶花港联传感测控技术有限公司 生产)，其电流输入范围为士200A ；位移传感器采用意大利GIVI公司的MTSHB5型磁栅位移 传感器，其精度为10 μ m。本实施例控制系统对直线电机运行速度及位移的控制方法为A.数据的初始化处理首先对数据采集卡的数字输出、模拟输入和正交解码器进 行初始化(选择6路数字输出通道，两路模拟输入通道和1个正交解码器)，然后将基于模 糊控制的直线电机运行速度及位移控制系统程序置入PC的内存中，以备中央处理器(CPU) 的调用；B.直线电机启动计算机控制平台调用空间矢量脉宽调制(SVPWM)指令，发出启 动信号，使逆变器输出三相相位差为120度的正弦电流，电机在行波磁场的作用下以设定 的速度和方向做开环运动，使电机(动子)运行到零点位置或设定的位置；C.直线电机闭环运行当直线电机(动子)到达零点位置后，位移传感器和电流 传感器启动(工作)，位移反馈Pf与位移设定值Ps比较后的偏差经模糊控制器调节，产生 速度设定值(位移反馈对时间的微分便是动子的速度反馈)；速度反馈与速度设定值比较 后的偏差，经过模糊控制器调节后产生用于电机转矩控制的q轴(d-q坐标系下)参考电流 分量；数据采集卡的模拟输入通过电流传感器采集直线电机定子绕组的三相电流，并 将其转化为(d-q坐标系下的)励磁反馈电流id和转矩反馈电流iq，id与0比较，iq与 比较，比较后的偏差同时经过模糊控制器调节后产生d-q坐标系下的参考电压分量Vtof和 Vqref ；Vdref和Vtffef再经过Park逆变换转换成α - β坐标系下的参考电压分量Varef和V0ref ； 当VaM和V0M及其所在扇区数已知时，就可以利用SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制 逆变器，实现对直线电机的闭环控制、维持其正常运动；D.直线电机的制动当用户发出紧急停止指令时，计算机控制平台经数据采集卡 和逆变器向直线电机发出制动控制信号，直线电机立即停止运行；当位移传感器采集到的 信息输入计算机控制平台后，如果反馈位移与用户设定的位移信息相等时，计算机控制平 台经数据采集卡和逆变器向直线电机发出制动控制信号，电机停止运动。图3即为本实施例控制系统在一个PWM(脉宽调制)周期内处理的流程示意图。本 实施例测试结果实验中给电机加ION的负载，在软件前面板上设置的初速度为Ocm/s、最 大速度为30cm/s，加速度为0. lm/s2,目标位移为200cm。运行结果电机按照设定好的速度 曲线运动，最终准确地运行至设定的位置处、误差为50 μ m，达到了非常好的控制效果。
5
实施例2 本实施例以采用模糊PID控制处理的永磁直线同步电机(PMLSM)控制 系统为例本实施例控制系统及其配置均与实施例1相同，其控制方法为首先，对数据采集卡的数字输出、模拟输入和正交解码器进行初始化(选择6路数 字输出通道，两路模拟输入通道和1个正交解码器)，然后将基于模糊PID直线电机运行速 度及位移控制系统程序置入PC的内存中，以备中央处理器(CPU)的调用；然后，由计算机控制平台调用SVPWM发生模块，发出启动(控制)信号，使逆变器 输出三相相位差为120度的正弦电流，电机在行波磁场的作用下以设定的速度和方向做开 环运动，使电机运行到零点位置或设定的位置；电机进入速度和位移的闭环控制运行模式位移反馈&与位移设定值Ps比较后的 偏差经PID控制器调节，产生速度设定值(位移反馈对时间的微分便是动子的速度反馈)； 速度反馈与速度设定值比较后的偏差，经过PID控制器调节后产生用于电机转矩控制的q 轴(d_q坐标系下)参考电流分量数据采集卡的模拟输入通过电流传感器采集直线电 机定子绕组的三相电流，并将其转化为(d_q坐标系下的)励磁反馈电流id和转矩反馈电流 iq, id与0比较，iq与比较，比较后的偏差同时经过PID控制器调节后产生d_q坐标系 下的参考电压分量Vdref和再经过Park逆变换转换成α-β坐标系下的 参考电压分量Varef和V0ref ；当Varef和V0ref及其所在扇区数已知时，就可以利用SVPWM技 术，产生PWM控制信号来控制逆变器，实现对直线电机的闭环控制；模糊控制器在系统运行 过程中主要负责对PID控制器中的比例、积分和微分三个参数进行调节，从而使控制系统 具有更好的自适应能力、更快的响应能力和更高的控制精度；最后，当用户发出紧急停止指令时，计算机控制平台经数据采集卡和逆变器向直 线电机发出制动控制信号，直线电机立即停止运行，或当位移传感器采集到的信息输入计 算机控制平台，如果反馈位移与用户设定的位移信息相等时，计算机控制平台经数据采集 卡和逆变器向直线电机发出制动控制信号，电机停止运动。实施例3 本实施例以采用神经网络控制处理方法的永磁直线同步电机(PMLSM) 磁场定向矢量控制系统为例本实施例控制系统及其配置均与实施例1相同，其控制方法 为首先，对数据采集卡的数字输出、模拟输入和正交解码器进行初始化(选择6路数 字输出通道，两路模拟输入通道和1个正交解码器)，然后将基于神经网络的直线电机运行 速度及位移控制系统程序置入PC的内存中，以备中央处理器(CPU)的调用；然后，由计算机控制平台调用SVPWM发生模块，发出启动(控制)信号，使逆变器 输出三相相位差为120度的正弦电流，电机在行波磁场的作用下以设定的速度和方向做开 环运动，使电机运行到零点位置或设定的位置；其次，电机进入速度和位移的闭环控制模式数据采集卡的模拟输入通过电流传 感器采集直线电机定子绕组的三相电流，通过坐标变换把三相静止坐标系下的电流转化为 d-q坐标系下的励磁反馈电流id和转矩反馈电流iq，与给定励磁电流idref和转矩电流 进行比较，经过神经网络控制器产生给定励磁电压Vdref和转矩电压Vtffrf,再经过Park逆变 换转换成α-β坐标系下的参考电压矢量，用来决定空间矢量PWM波形输出。位移反馈与 位移设定值比较经神经网络控制器产生速度设定值。位移反馈对时间的微分便是动子的速 度反馈，速度反馈与给定速度比较，并经过控制器调节产生，这样就构成了基于神经网
6络控制的三闭环磁场定向矢量控制系统。神经网络控制器中的比例、积分和微分三个参数 通过神网络控制器进行调节，从而使控制系统具有更好的自适应能力、更高响应能力和控 制精度； 最后，当用户发出紧急停止指令时，计算机控制平台经数据采集卡和逆变器向直 线电机发出制动控制信号，直线电机立即停止运行，或当位移传感器采集到的信息输入计 算机控制平台，如果反馈位移与用户设定的位移信息相等时，计算机控制平台经数据采集 卡和逆变器向直线电机发出制动控制信号，电机停止运动。
权利要求
一种直线电机运行速度及位移控制系统，包括PC机，逆变器及对其输出电流采样的电流传感器，对直线电极动子位置信息采样的位移传感器，其特征在于在逆变器、电流传感器和位移传感器与计算机之间还设有数据采集卡，该数据采集卡直接插于PC机的PCI插槽内与PC机组成控制平台，数据采集卡的6路数字输出口与逆变器对应的功率开关接口进行连接，数据采集卡的模拟输入端口分别与电流传感器的两个输出端口连接以获取经电流传感器其转换后的电压信号，数据采集卡正交解码端口直接与位移传感器的输出端口连接以获取直线电机的位移。
2.按权利要求1所述直线电机运行速度及位移控制系统，其特征在于所述数据采集卡 为基于PCI总线的多功能数据采集卡。
3.按权利要求2所述直线电机运行速度及位移控制系统，其特征在于所述基于PCI总 线的多功能数据采集卡为PCI-6221或PCI-6289数据采集卡。
4.按权利要求1所述直线电机运行速度及位移控制系统所采用的控制方法，包括A.初始化处理在原有计算机平台操作系统基础上调用数据采集卡的驱动程序，对数 据采集卡的数字输出、模拟输入和正交解码器进行初始化，然后将直线电机运行速度及位 移控制系统的控制处理程序置入PC机的内存中，以备中央处理器调用；B.直线电机启动启动时，由计算机控制平台发出启动信号，使逆变器输出三相相位 差为120度的正弦电流，电机在行波磁场的作用下以设定的速度和方向做开环运动，使电 机运行到零点位置或设定的位置；C.直线电机闭环运行当直线电机到达零点位置或设定位置后，位移传感器和电流传 感器启动，电流传感器将采集到的电流信号转换成电压信号、位移传感器采集电机的位移 信号，同时经数据采集卡输入PC机的中央处理器，获取电机三相绕组的电流和电机动子当 前的位移、速度，并与设定的目标位移、速度进行比较，并根据其结果向逆变器发出调整信 号，以调节直线电机的运行状态，实现对直线电机的闭环控制、维持其正常运动；D.直线电机的制动当用户发出紧急停止指令时，计算机控制平台经数据采集卡和逆 变器向直线电机发出制动控制信号，直线电机停止运行；而当位移传感器采集到的位移值 与设定的位移值相等时，计算机控制平台经数据采集卡和逆变器向直线电机发出制动信 号，电机停止运动。
5.按权利要求4所述直线电机运行速度及位移的控制方法，其特征在于所述控制处理 程序为模糊控制处理程序、自适应控制处理程序、神经网络控制处理程序或模糊PID控制 处理程序。
全文摘要
该发明属于永磁直线同步电机(PMLSM)运行速度及位移控制系统及其控制方法。其控制系统包括设有多功能数据采集卡的PC机控制平台，逆变器、电流传感器和位移传感器；该控制系统所采用的控制方法包括初始化处理，直线电机的启动及闭环运行，以及直线电机的制动。该发明将多功能数据采集卡直接插入PC机的PCI插槽中、与PC机融为一体作为整个控制系统的核心，直接利用PC机中的CPU对数据采集卡采集到的数据进行处理，并利用PC机成熟而可靠的操作系统，有效地提高了系统的处理、控制能力；而具有可有效提高针对直线电机运行的调速范围、运行速度及位移控制精度，满足对直线电机高速、高精度运行的要求等特点。
文档编号H02P6/06GK101917159SQ20101021892
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者赵会斌, 金建勋 申请人:电子科技大学