電機控制技術論文集
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電機控制技術論文篇一
基於PMAC的電機控制技術研究
【摘要】隨著科學技術的不斷髮展，工業水平的不斷提升，在世界範圍內的先進控制技術得到了很大的提升。在以往的電機控制中，由於控制器的控制能力有限，使得被控物件在執行時有很大的誤差產生，而以PMAC為核心控制器的電機執行裝置具有更高的控制能力。本文在對PMAC運動控制器及直線電機原理進行概述的基礎上，重點研究PMAC控制器在直線電機PID調節中的應用，並以具體的實驗進行驗證。
【關鍵詞】PMAC，PID，直線電機
1.引言
當今社會，自動控制技術和微型計算機作為高科技時代的領導者，更加嚴格要求各種自動控制系統的定位精準度，由此，在傳統旋轉電機的基礎上配備一套變換機構而構成的直線運動驅動裝置，已難以滿足當代控制系統愈發精準的要求，因此直線電機的研究、發展與應用工作成為世界各國當今的發展方向，促使直線電機具有越來越開擴的應用領域。
2.PMAC控制器簡介
上世紀九十年代，美國Delta Tau公司研發了一種開放式多軸運動控制器，命名為PMAC***Programmable Multi-axis Contro-ller***。PMAC是具有高效能的伺服控制器，其核心為DSP，它可藉助高階語言靈活的控制最多八軸同時執行，還能提供內務處理、運動控制、離散開展、同主機互動等功能。
PMAC是一臺完整的可以任務識別的計算機，能自動進行任務等級識別，將高優先順序的任務比低優先順序的任務先進行操作。其執行速度、解析度等指標均高於普通的控制器。伺服控制分為PID加Notch和速度、加速度前饋控制。可與MACRO現場匯流排的高速環網相連線，直接靈活的對生產線實施控制。
相對於其他運動控制器，PMAC的開放性最為突出。其內部暫存器可允許使用者按照自身需要來使用。PMAC的A/D和I/O和內部暫存器都是統一編址，A/D和I/O的用法與PMAC其它記憶體用法相同，具有很強的便利性。內部暫存器和A/D、I/O的地址可以使用PMAC的預設值，使用者也可以根據需要自己定義。
3.直線電機的結構與基本工作原理
3.1 直線電機的結構
直線電機是一種傳動裝置，其工作模式是將電能轉換成直線運動機械能，轉換過程中不需要中間轉換機構。直線電機的結構如圖1所示。
1初級2次級行波磁場
3.2 直線電機基本工作原理
將三相對稱正弦電流通入直線電機的三相繞組之後，會有氣隙磁場產生。若忽略因鐵心兩端斷開而產生的縱向邊端效應，氣隙磁場的分佈與旋轉電機無太大差別，因此可認為磁場是沿展開的直線方向呈正弦形分佈。三相電流會隨著時間發生改變，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。此原理接近於旋轉電機，但略有區別，氣隙磁場是平移的，旋轉電機是旋轉的，所以氣隙磁場又稱作行波磁場。
不難看出氣隙磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上運動的線速度相同，為Vs，叫做同步速度***m/s***，而且Vs=2f。
筆者對行波磁場對次級的作用也進行了分析。假設次級為柵形次級，次級導條受到行波磁場的切割，產生感應電動勢同時產生電流。次級導條中的電流與行波磁場相互作用從而產生電磁推力。受到推力之後，若初級是穩定的，次級就順著行波磁場運動的方向呈直線型運動。若次級以v的速度運動，移動的差率***簡稱移差率***用s表示，於是有：
4.PMAC+PC下的直線電機PID控制
直線電機的負載連線到直線電機的定子，伺服系統的效能與負載的變化和外部影響有很大的關聯。所以要利用閉環的形式對直線電機進行準確度高的伺服控制。
PMAC展示的是PID+前饋控制的控制演算法，演算法流程如圖2所示。
DACout***n***表示伺服週期n中16位輸出命令***-32768到+32767***，其值由Ix69定義，它將轉換為-10V到+10V的電壓輸出。Ix08表示電機X中一個內部位置放大係數***通常設為96***。而Ix09表示電機X中速度環的一個內部放大係數。FE***n***表示伺服週期n內得到的跟隨誤差，是該週期內指令位置與實際位置的差值[CP***n***-AP***n***]。AV***n***表示伺服週期n內的實際速度，是每個伺服週期最後兩個實際位置的差值[AP***n***-AP***n-1***]。CV***n***表示伺服週期n內的指令速度，是每個伺服週期最後兩個指令位置的差值[CP***n***-CP***n-1***]。CA***n***表示伺服週期n內的指令加速度，是每個伺服週期最後兩個指令的速度差值[CV***n***-CV***n-1***]。IE***n***表示伺服週期n的跟隨誤差的積分，其值為：
5.直線電機的PID控制實驗
5.1 PID濾波器工作原理
過去伺服系統的設計主要按照反饋控制原理進行，不能完全實現無跟隨誤差控制，也很難滿足速度上和精度上的較高要求。PMAC屬於全數字伺服系統，通過採用計算機的硬體以及軟體技術，以新的控制方法對系統的效能進行完善，並能實現速度和精度的高要求。通過軟體來決定系統的位置、速度以及電流的校正環節PID控制。利用前饋控制技術，形成以“反饋-前饋”為模式的複合控制系統，大大縮小了位置跟蹤滯後造成的誤差，位置控制精度明顯提高。理論上，這種系統可以對速度誤差、加速度誤差、靜態位置誤差以及外界干擾引起的誤差消除完全，真正實現“無誤差調節”。
為了保證穩態和動態特性均為良好狀態，同時滿足系統對位置控制的要求，就要校正和完善系統的控制環節。控制環節佔據整個系統的較為重要的地位，因此確定系統的基本特性***包括機械傳動、電動機選型等***之後，就要對系統的控制環進行校正。通常是在伺服環濾波器的調節下，按照被控物理系統的動力學效能來設定伺服環引數，保證能夠實現剛性高、穩定性強以及跟隨誤差小的系統伺服特效能。
5.2 PID濾波器的調節
為達到適合PC及其相容機的PMAC執行程式的目的，PEWIN32提供了一個調節PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波器引數的較為簡便方法。 在用階躍響應對PID引數進行調節後，保持引數穩定，利用正弦波響應來調整前饋，並取得“速度”和“跟隨誤差”兩項資料。
步驟如下：
在初始化階段，要連線正確光刻機控制系統，安裝PEWIN32執行軟體，確保主機與PMAC正常通訊，並對PMAC進行初始化設定和簡單人工操作。
***1***將所有電機閉環。通過#1j/、#2j/和#4j/線上命令執行。
***2***輸入正弦波的運動大小和時間，按下“Do a Parabolic”鍵，執行正弦波響應。
***3***待主機傳輸資料後，將資料進行採集整理，利用曲線與命令曲線的形式展現採集的資料，進行比較。仔細分析響應曲線中的速度係數、平均速度誤差、加速度係數、平均加速度誤差、最大誤差以及各種變數值。
***4***加大Ix32，重複響應過程，到跟隨誤差曲線形狀類似方波為止。選擇“What To Plot”的“加速度”和“跟隨誤差”兩項。增加Ix35，觀察響應曲線和資料值的變化，如果不夠明顯，縮短運動時間或者加大運動長度。繼續增加Ix35，所有係數均為正數方可。此時的跟隨誤差主要由噪聲或機械摩擦導致的，誤差較小。
***5***Ix34=1，增加Ix32，調節Ix35，得到合適的響應曲線為止。
如圖3、4所示，通過實驗結果可以看出，調節PID引數，可以使光刻機系統的動態效能和穩態效能較為理想。
6.結束語
筆者圍繞直線電機，將其作為光刻機控制系統的快速伺服進給單元進行了研究，可滿足光刻機零傳動的需求。利用PID+前饋控制法實現直線電機的控制，整體上提高了直線電機進給系統穩態效能和動態效能，為直線電機以及PMAC控制器的使用提供參考，也為其在速度快、精度高的控制系統領域的發展奠定了基礎。
參考文獻
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電機控制技術論文篇二
電機控制的技術市場動向
摘要：通過對部分市場調查公司和半導體供應商的訪問，探討了當前電機控制的技術市場動向。
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.001
電機控制市場
概覽
電機應用於消費電子、住宅、工業、通用、交通和農業等領域。據德州儀器***TI***半導體技術***上海***公司半導體事業部市場推廣經理李志林介紹，新興的應用機會有工業泵和壓縮機、HVAC***加熱通風空調***、汽車、低電壓風扇、醫療泵等。
電機型別方面，90%的市場是步進電機、有刷電機和無刷電機。
步進電機：佔整個市場的15%，有開環位置和速度控制，簡單的控制I/F，適合於做執行機構;
有刷DC：佔45%市場份額，特點是容易旋轉，低成本。但是刷子會磨損，效率不高、工作發熱。
無刷DC：30%市場份額，壽命長/可靠且有效率，控制精度也較高。缺點是成本和複雜性較高。
表1 電機市場/TAM/年營業額
中國電機市場
IHS IMS Research公司負責電機和電機控制的高階分析師周萬木稱，在工業電機驅動領域，最激動人心的事情莫過於高效電機的切換為電機驅動所帶來的市場機會。
2012年5月11日國家釋出了《中小型三相非同步電動機能效限定值及能效等級》即GB18613-2012，將取代GB18613-2006成為新的中國高效電機標準，強制實施日期為2012年9月1日。GB18613-2012適用於1000V以下的電壓，50Hz三相交流電源供電，額定功率在0.75kW～375kW範圍內，極數為2級、4級和6級，連續工作制的一般用途電動機或防爆電動機。
2006年釋出GB18613-2006以來，由於種種原因，我國高效電機推廣一直停滯不前。不過近年來各種政策執行力度逐漸增強，能效標籤管理制度越來越健全，客戶對高效節能電機認知度開始提升，財政補貼將普通電機和高效電機價格差填平，2011年下半年來原材料價格上漲壓力減小。IHS認為以上所有因素的效果疊加，會在很大程度上啟動高效電機市場需求，引發電機產品結構調整，進而促進產業優化升級。
根據IHS IMS Research公司《中國中小型電機市場研究報告》，2012年中國中小型電機市場容量為200億元人民幣，年出貨量約1200萬臺。IHS預期高效電機銷量將從2012年第4季度開始增加，大規模的切換將會開始發生在2013年，參考美國當年2～3年完成高效電機切換的歷史，預計高效節能電機在中國將呈現穩步增長，第一個銷售高峰將從2013年第2季度開始。而普通電機的市場將從2013進入負增長，逐漸萎縮。
高效電機的切換為電機驅動領域帶來了新的市場機會。眾所周知，單獨更換高效電機，平均效率只能提高5%左右，而使用變頻器加上高效電機，整個電機系統的節能效果就能達到50%以上!如果工業客戶開始使用高效電機，沒有理由不再安裝變頻器使整個電機控制系統變得更加節能，這樣變頻器的需求將會大大增加。另外，永磁電機和伺服驅動在很多行業都發揮了很好的節能降耗作用。
整個電機控制系統的智慧化、網路化和遠端控制將是大勢所趨。電機系統自動故障報警、遠端監控和遠端診斷除錯等需求將會要求使用越來越多的功能更多，處理能力更強的MCU和DSP。未來的工業電機系統不僅僅是一個執行機構，同時也會是整個工廠系統的一個有機組成部分和能源使用監控點。遠端電機溫度檢測、異常震動檢測和電流電壓監測等需求將會為模擬晶片創造更多的市場機會。
圖1 電機分佈圖
電機控制的技術趨勢
更加綠色
Microchip公司MCU16產品部產品營銷經理Charlie Ice稱，Microchip預期“綠色”電機控制技術將始終是電機控制市場的重要因素。為實現“綠色”電機控制所需的更高效率，電機控制設計人員將繼續尋找更高階的控制演算法、新型電機設計和系統智慧技術。預計BLDC***直流無刷電機控制***電機將因其增強的可靠性和更高的效率而在許多系統中逐漸取代有刷直流電機。BLDC電機控制演算法將越來越先進，從而實現高效系統。預計正弦電機驅動技術將取代梯形控制，而磁場定向控制***FOC***之類的演算法將得到更普遍應用。同時，使用交流感應電機的系統也將採用更高效的控制演算法，如磁場定向控制，從而實現更高的效率。除了更高效的控制演算法，還將加強新型電機的開發。系統設計人員將著眼於新型電機，如開關磁阻電機和內建式無刷永磁電機，與當今很受歡迎的電機型別相比，它們更有可能實現更高效率。
綠色=高效設計+高效控制
英飛凌科技工業與多元電子市場部高階經理黃志鴻稱，該公司對於綠色電機技術的定義指的是高能效電機設計和高效電機控制技術。二者的結合可將電機的能效提高一倍。最常使用的單相交流感應電機的能效為30%至50%。採用綠色電機技術後，系統的能效可提高至80%以上。諸如無刷直流電機***BLDC***和永磁電機***PMSM***等綠色電機，要求採用微控制器***MCU***和磁感測器實現精確控制和實時響應。低損耗電力電子器件可提升系統的整體效率。隨著系統成本上升，電子元件的質量和可靠性成為一個重要的考慮因素，質量和可靠性不高的電子元件有損於系統的環保性。
新的電機控制演算法要求經驗豐富的工程師。全新推出的微控制器工具鏈包含自動程式碼生成器，從而可減輕工程師的軟體開發任務。
未來電機方向
TI李志林經理稱，除了硬體以外，重要的是如何用很優異的演算法去控制。TI在全球除了做IC設計外，還有一個專門的實驗室Kilby Lab做演算法，也就是冰箱、洗衣機、空調、電動自行車、電動工具這些硬體的演算法。
對於未來電機技術的發展，TI模擬器件驅動方案主要關注於以下幾點：嵌入式控制，控制演算法，數字控制環路，更高的整合度，改進的動作屬性***引擎/效能***。MCU方面的創新主要會涉及：自動化電機控制，差異化工具，成本、效率、連線與安全性的選擇，讓客戶集中精力實現增值。