制造業(yè)中需要的線形驅(qū)動力,，傳統(tǒng)的方法是用旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠的方式提供。實(shí)踐證明,，在許多高精密,、高速度場合，這種驅(qū)動已經(jīng)顯露出不足,。在這種情況下直線電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生,。直線電機(jī)直接產(chǎn)生直線運(yùn)動，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),，動力是在氣隙磁場中直接產(chǎn)生的,，可獲得比傳統(tǒng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)高幾倍的定位精度和快速響應(yīng)速度,。

本文是在我系研制的交流永磁同步直線電機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行基于矢量變換控制的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。

1. 交流永磁同步直線電機(jī)工作原理

　　直線電機(jī)的工作原理上相當(dāng)于沿徑向展開后的旋轉(zhuǎn)電機(jī),。交流永磁同步直線電機(jī)通入三相交流電流后,，會在氣隙中產(chǎn)生磁場，若不考慮端部效應(yīng),，磁場在直線方向呈正弦分布,。行波磁場與次級相互作用產(chǎn)生電磁推力，使初級和次級產(chǎn)生相對運(yùn)動,。圖1所示為開發(fā)設(shè)計的交流永磁同步直線電機(jī),。
 

2. 永磁同步直線電機(jī)矢量控制原理

　　由于矢量控制動態(tài)響應(yīng)快，相比較標(biāo)量控制,，在很快的時間內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,。經(jīng)過30多年工業(yè)實(shí)踐的考驗、改進(jìn)與提高,，目前已經(jīng)達(dá)到成熟階段[3],，成為交流伺服電機(jī)控制的首選方法。因此,，直線電機(jī)采用了交流矢量控制驅(qū)動的方法,。
 

　　直線電機(jī)初級的三相電壓（U、V,、W相）構(gòu)成了三相初級坐標(biāo)系（a,，b，c軸系）,，其中的三相繞組相角相差120?,，即在水平方向上互差1/3極距。參照旋轉(zhuǎn)電機(jī)矢量變換理論,，設(shè)定兩相初級坐標(biāo)系（α-β軸系）,，由三相初級坐標(biāo)系到直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換稱為Clark變換，見式（1）,。

　　從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換稱為Park變換,，見式（2）。反之稱Park逆變換,。

　　θ是d軸與 軸的夾角,。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的Park變換理論和兩電機(jī)結(jié)構(gòu)比較。由于電機(jī)運(yùn)動部分的不同,，故直線電機(jī)動子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子,，直線電機(jī)定子相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)動子,。所以在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在動子上,，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn),。在直線電機(jī)中，由運(yùn)動相對性原理,，動子的直線運(yùn)動,，可理解為定子相對于動子作反方向直線運(yùn)動，因此“旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系”（實(shí)際上此坐標(biāo)系是直線運(yùn)動的,，應(yīng)稱之為直線運(yùn)動坐標(biāo)系）則固定在定子上,，和定子一起相對于動子作直線運(yùn)動，如圖3所示,。此時,，直線電機(jī)動子向右作直線運(yùn)動，其定子則相對于動子向左直線運(yùn)動,，固定在定子上的坐標(biāo)系也和定子一起相對于動子相對于動子向左運(yùn)動,。動子內(nèi)部的行波磁場相對于動子本身是向左運(yùn)動，這樣站在固定在定子上的坐標(biāo)系上觀察此同步電機(jī)的行波磁場則是靜止的,。于是讓d軸位于次級永磁體N極軸線上,，q軸則超前d軸90?，也就是極距的1/4,。θ由直線電機(jī)運(yùn)動時動子所處的位置決定,。

3．永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

　　根據(jù)直線電機(jī)工作原理，采用矢量變換設(shè)計其控制驅(qū)動系統(tǒng),。

　　控制器采用DSP處理器,，選用TI公司的TMS320F2812 DSP。它是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)高速數(shù)字信號處理器,，150MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短至6.67ns,，內(nèi)置12位的AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為80ns[4],。功率驅(qū)動部分采用IPM模塊,， PWM頻率最高可達(dá)20K。
 

　　永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示

4.軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)軟件包括軟硬件初始化程序,、主程序,、初始定位子程序、控制過程顯示程序和中斷服務(wù)子程序5個部分,。系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行初始化程序,，實(shí)現(xiàn)對DSP內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測；然后執(zhí)行主程序,，開啟定時中斷,、外部保護(hù)中斷及初始定位子程序；獲得動子準(zhǔn)確位置信息后，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序[5],。 系統(tǒng)的主要功能，包括電流大小的計算,、速度位置信息和矢量變換,，由中斷服務(wù)子程序來完成。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行原理設(shè)計其軟件結(jié)構(gòu),。圖5為系統(tǒng)運(yùn)行程序圖：

　　系統(tǒng)中斷子程序圖如圖4所示：
 

5結(jié)論

　　本文設(shè)計的算法程序已經(jīng)初步調(diào)試成功,，能夠?qū)崿F(xiàn)基本運(yùn)行，證明軟硬件設(shè)計的正確性,。圖5所示為部分調(diào)試結(jié)果

　　由于直線電機(jī)端部效應(yīng)及外部載荷直接加載等特點(diǎn),，使得對直線電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定提出了較高要求。為提高其控制的魯棒性,，其算法還有待于繼續(xù)改進(jìn),。必須采取合適的控制算法和控制策略，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快,，抗干擾能力強(qiáng),，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高。因此直線電機(jī)控制理論有待于進(jìn)一步深入的探討與研究,。

　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：分析了永磁同步直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的矢量變換理論的區(qū)別之處,，并在此基礎(chǔ)上基于TMS320F2812 DSP實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)。