电机控制技术论文集
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电机控制技术论文篇一
基于PMAC的电机控制技术研究
学习啦在线学习网【摘要】随着科学技术的不断发展，工业水平的不断提升，在世界范围内的先进控制技术得到了很大的提升。在以往的电机控制中，由于控制器的控制能力有限，使得被控对象在运行时有很大的误差产生，而以PMAC为核心控制器的电机运行设备具有更高的控制能力。本文在对PMAC运动控制器及直线电机原理进行概述的基础上，重点研究PMAC控制器在直线电机PID调节中的应用，并以具体的实验进行验证。
【关键词】PMAC，PID，直线电机
1.引言
当今社会，自动控制技术和微型计算机作为高科技时代的领导者，更加严格要求各种自动控制系统的定位精准度，由此，在传统旋转电机的基础上配备一套变换机构而构成的直线运动驱动装置，已难以满足当代控制系统愈发精准的要求，因此直线电机的研究、发展与应用工作成为世界各国当今的发展方向，促使直线电机具有越来越开扩的应用领域。
2.PMAC控制器简介
学习啦在线学习网上世纪九十年代，美国Delta Tau公司研发了一种开放式多轴运动控制器，命名为PMAC(Programmable Multi-axis Contro-ller)。PMAC是具有高性能的伺服控制器，其核心为DSP，它可借助高级语言灵活的控制最多八轴同时运行，还能提供内务处理、运动控制、离散开展、同主机交互等功能。
PMAC是一台完整的可以任务识别的计算机，能自动进行任务等级识别，将高优先级的任务比低优先级的任务先进行操作。其执行速度、分辨率等指标均高于普通的控制器。伺服控制分为PID加Notch和速度、加速度前馈控制。可与MACRO现场总线的高速环网相连接，直接灵活的对生产线实施控制。
相对于其他运动控制器，PMAC的开放性最为突出。其内部寄存器可允许用户按照自身需要来使用。PMAC的A/D和I/O和内部寄存器都是统一编址，A/D和I/O的用法与PMAC其它内存用法相同，具有很强的便利性。内部寄存器和A/D、I/O的地址可以使用PMAC的默认值，用户也可以根据需要自己定义。
学习啦在线学习网3.直线电机的结构与基本工作原理
3.1 直线电机的结构
学习啦在线学习网直线电机是一种传动装置，其工作模式是将电能转换成直线运动机械能，转换过程中不需要中间转换机构。直线电机的结构如图1所示。
1初级2次级行波磁场
3.2 直线电机基本工作原理
学习啦在线学习网将三相对称正弦电流通入直线电机的三相绕组之后，会有气隙磁场产生。若忽略因铁心两端断开而产生的纵向边端效应，气隙磁场的分布与旋转电机无太大差别，因此可认为磁场是沿展开的直线方向呈正弦形分布。三相电流会随着时间发生改变，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。此原理接近于旋转电机，但略有区别，气隙磁场是平移的，旋转电机是旋转的，所以气隙磁场又称作行波磁场。
不难看出气隙磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上运动的线速度相同，为Vs，叫做同步速度(m/s)，而且Vs=2f。
学习啦在线学习网笔者对行波磁场对次级的作用也进行了分析。假设次级为栅形次级，次级导条受到行波磁场的切割，产生感应电动势同时产生电流。次级导条中的电流与行波磁场相互作用从而产生电磁推力。受到推力之后，若初级是稳定的，次级就顺着行波磁场运动的方向呈直线型运动。若次级以v的速度运动，移动的差率(简称移差率)用s表示，于是有：
4.PMAC+PC下的直线电机PID控制
直线电机的负载连接到直线电机的定子，伺服系统的性能与负载的变化和外部影响有很大的关联。所以要利用闭环的形式对直线电机进行准确度高的伺服控制。
学习啦在线学习网PMAC展示的是PID+前馈控制的控制算法，算法流程如图2所示。
DACout(n)表示伺服周期n中16位输出命令(-32768到+32767)，其值由Ix69定义，它将转换为-10V到+10V的电压输出。Ix08表示电机X中一个内部位置放大系数(通常设为96)。而Ix09表示电机X中速度环的一个内部放大系数。FE(n)表示伺服周期n内得到的跟随误差，是该周期内指令位置与实际位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n)表示伺服周期n内的实际速度，是每个伺服周期最后两个实际位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n)表示伺服周期n内的指令速度，是每个伺服周期最后两个指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n)表示伺服周期n内的指令加速度，是每个伺服周期最后两个指令的速度差值[CV(n)-CV(n-1)]。IE(n)表示伺服周期n的跟随误差的积分，其值为：
5.直线电机的PID控制实验
5.1 PID滤波器工作原理
过去伺服系统的设计主要按照反馈控制原理进行，不能完全实现无跟随误差控制，也很难满足速度上和精度上的较高要求。PMAC属于全数字伺服系统，通过采用计算机的硬件以及软件技术，以新的控制方法对系统的性能进行完善，并能实现速度和精度的高要求。通过软件来决定系统的位置、速度以及电流的校正环节PID控制。利用前馈控制技术，形成以“反馈-前馈”为模式的复合控制系统，大大缩小了位置跟踪滞后造成的误差，位置控制精度明显提高。理论上，这种系统可以对速度误差、加速度误差、静态位置误差以及外界干扰引起的误差消除完全，真正实现“无误差调节”。
学习啦在线学习网为了保证稳态和动态特性均为良好状态，同时满足系统对位置控制的要求，就要校正和完善系统的控制环节。控制环节占据整个系统的较为重要的地位，因此确定系统的基本特性(包括机械传动、电动机选型等)之后，就要对系统的控制环进行校正。通常是在伺服环滤波器的调节下，按照被控物理系统的动力学性能来设置伺服环参数，保证能够实现刚性高、稳定性强以及跟随误差小的系统伺服特性能。
学习啦在线学习网5.2 PID滤波器的调节
为达到适合PC及其兼容机的PMAC执行程序的目的，PEWIN32提供了一个调节PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波器参数的较为简便方法。 在用阶跃响应对PID参数进行调节后，保持参数稳定，利用正弦波响应来调整前馈，并取得“速度”和“跟随误差”两项数据。
步骤如下：
在初始化阶段，要连接正确光刻机控制系统，安装PEWIN32执行软件，确保主机与PMAC正常通信，并对PMAC进行初始化设置和简单人工操作。
学习啦在线学习网(1)将所有电机闭环。通过#1j/、#2j/和#4j/在线命令执行。
学习啦在线学习网(2)输入正弦波的运动大小和时间，按下“Do a Parabolic”键，执行正弦波响应。
学习啦在线学习网(3)待主机传输数据后，将数据进行采集整理，利用曲线与命令曲线的形式展现采集的数据，进行比较。仔细分析响应曲线中的速度系数、平均速度误差、加速度系数、平均加速度误差、最大误差以及各种变量值。
(4)加大Ix32，重复响应过程，到跟随误差曲线形状类似方波为止。选择“What To Plot”的“加速度”和“跟随误差”两项。增加Ix35，观察响应曲线和数据值的变化，如果不够明显，缩短运动时间或者加大运动长度。继续增加Ix35，所有系数均为正数方可。此时的跟随误差主要由噪声或机械摩擦导致的，误差较小。
学习啦在线学习网(5)Ix34=1，增加Ix32，调节Ix35，得到合适的响应曲线为止。
学习啦在线学习网如图3、4所示，通过实验结果可以看出，调节PID参数，可以使光刻机系统的动态性能和稳态性能较为理想。
6.结束语
笔者围绕直线电机，将其作为光刻机控制系统的快速伺服进给单元进行了研究，可满足光刻机零传动的需求。利用PID+前馈控制法实现直线电机的控制，整体上提高了直线电机进给系统稳态性能和动态性能，为直线电机以及PMAC控制器的使用提供参考，也为其在速度快、精度高的控制系统领域的发展奠定了基础。
参考文献
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电机控制技术论文篇二
电机控制的技术市场动向
摘要：通过对部分市场调查公司和半导体供应商的访问，探讨了当前电机控制的技术市场动向。
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.001
电机控制市场
概览
电机应用于消费电子、住宅、工业、通用、交通和农业等领域。据德州仪器(TI)半导体技术(上海)公司半导体事业部市场推广经理__林介绍，新兴的应用机会有工业泵和压缩机、HVAC(加热通风空调)、汽车、低电压风扇、医疗泵等。
电机类型方面，90%的市场是步进电机、有刷电机和无刷电机。
步进电机：占整个市场的15%，有开环位置和速度控制，简单的控制I/F，适合于做执行机构;
学习啦在线学习网有刷DC：占45%市场份额，特点是容易旋转，低成本。但是刷子会磨损，效率不高、工作发热。
学习啦在线学习网无刷DC：30%市场份额，寿命长/可靠且有效率，控制精度也较高。缺点是成本和复杂性较高。
学习啦在线学习网表1 电机市场/TAM/年营业额
中国电机市场
学习啦在线学习网IHS IMS Research公司负责电机和电机控制的高级分析师周万木称，在工业电机驱动领域，最激动人心的事情莫过于高效电机的切换为电机驱动所带来的市场机会。
2012年5月11日国家发布了《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》即GB18613-2012，将取代GB18613-2006成为新的中国高效电机标准，强制实施日期为2012年9月1日。GB18613-2012适用于1000V以下的电压，50Hz三相交流电源供电，额定功率在0.75kW～375kW范围内，极数为2级、4级和6级，连续工作制的一般用途电动机或防爆电动机。
学习啦在线学习网2006年发布GB18613-2006以来，由于种种原因，我国高效电机推广一直停滞不前。不过近年来各种政策执行力度逐渐增强，能效标签管理制度越来越健全，客户对高效节能电机认知度开始提升，财政补贴将普通电机和高效电机价格差填平，2011年下半年来原材料价格上涨压力减小。IHS认为以上所有因素的效果叠加，会在很大程度上启动高效电机市场需求，引发电机产品结构调整，进而促进产业优化升级。
根据IHS IMS Research公司《中国中小型电机市场研究报告学习啦在线学习网》，2012年中国中小型电机市场容量为200亿元人民币，年出货量约1200万台。IHS预期高效电机销量将从2012年第4季度开始增加，大规模的切换将会开始发生在2013年，参考美国当年2～3年完成高效电机切换的历史，预计高效节能电机在中国将呈现稳步增长，第一个销售高峰将从2013年第2季度开始。而普通电机的市场将从2013进入负增长，逐渐萎缩。
高效电机的切换为电机驱动领域带来了新的市场机会。众所周知，单独更换高效电机，平均效率只能提高5%左右，而使用变频器加上高效电机，整个电机系统的节能效果就能达到50%以上!如果工业客户开始使用高效电机，没有理由不再安装变频器使整个电机控制系统变得更加节能，这样变频器的需求将会大大增加。另外，永磁电机和伺服驱动在很多行业都发挥了很好的节能降耗作用。
学习啦在线学习网整个电机控制系统的智能化、网络化和远程控制将是大势所趋。电机系统自动故障报警、远程监控和远程诊断调试等需求将会要求使用越来越多的功能更多，处理能力更强的MCU和DSP。未来的工业电机系统不仅仅是一个执行机构，同时也会是整个工厂系统的一个有机组成部分和能源使用监控点。远程电机温度检测、异常震动检测和电流电压监测等需求将会为模拟芯片创造更多的市场机会。
图1 电机分布图
电机控制的技术趋势
更加绿色
Microchip公司MCU16产品部产品营销经理Charlie Ice称，Microchip预期“绿色”电机控制技术将始终是电机控制市场的重要因素。为实现“绿色”电机控制所需的更高效率，电机控制设计人员将继续寻找更高级的控制算法、新型电机设计和系统智能技术。预计BLDC(直流无刷电机控制)电机将因其增强的可靠性和更高的效率而在许多系统中逐渐取代有刷直流电机。BLDC电机控制算法将越来越先进，从而实现高效系统。预计正弦电机驱动技术将取代梯形控制，而磁场定向控制(FOC)之类的算法将得到更普遍应用。同时，使用交流感应电机的系统也将采用更高效的控制算法，如磁场定向控制，从而实现更高的效率。除了更高效的控制算法，还将加强新型电机的开发。系统设计人员将着眼于新型电机，如开关磁阻电机和内置式无刷永磁电机，与当今很受欢迎的电机类型相比，它们更有可能实现更高效率。
学习啦在线学习网绿色=高效设计+高效控制
学习啦在线学习网英飞凌科技工业与多元电子市场部高级经理黄志鸿称，该公司对于绿色电机技术的定义指的是高能效电机设计和高效电机控制技术。二者的结合可将电机的能效提高一倍。最常使用的单相交流感应电机的能效为30%至50%。采用绿色电机技术后，系统的能效可提高至80%以上。诸如无刷直流电机(BLDC)和永磁电机(PMSM)等绿色电机，要求采用单片机(MCU)和磁传感器实现精确控制和实时响应。低损耗电力电子器件可提升系统的整体效率。随着系统成本上升，电子组件的质量和可靠性成为一个重要的考虑因素，质量和可靠性不高的电子组件有损于系统的环保性。
新的电机控制算法要求经验学习啦在线学习网丰富的工程师。全新推出的单片机工具链包含自动代码生成器，从而可减轻工程师的软件开发任务。
未来电机方向
TI__林经理称，除了硬件以外，重要的是如何用很优异的算法去控制。TI在全球除了做IC设计外，还有一个专门的实验室Kilby Lab做算法，也就是冰箱、洗衣机、空调、电动自行车、电动工具这些硬件的算法。
学习啦在线学习网对于未来电机技术的发展，TI模拟器件驱动方案主要关注于以下几点：嵌入式控制，控制算法，数字控制环路，更高的集成度，改进的动作属性(引擎/性能)。MCU方面的创新主要会涉及：自动化电机控制，差异化工具，成本、效率、连接与安全性的选择，让客户集中精力实现增值。
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