電機(jī)控制技術(shù)論文集
電機(jī)應(yīng)用于消費(fèi)電子、住宅、工業(yè)、通用、交通和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。下面小編給大家分享一些電機(jī)控制技術(shù)論文集，大家快來跟小編一起欣賞吧。
電機(jī)控制技術(shù)論文篇一
基于PMAC的電機(jī)控制技術(shù)研究
【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)水平的不斷提升，在世界范圍內(nèi)的先進(jìn)控制技術(shù)得到了很大的提升。在以往的電機(jī)控制中，由于控制器的控制能力有限，使得被控對(duì)象在運(yùn)行時(shí)有很大的誤差產(chǎn)生，而以PMAC為核心控制器的電機(jī)運(yùn)行設(shè)備具有更高的控制能力。本文在對(duì)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器及直線電機(jī)原理進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究PMAC控制器在直線電機(jī)PID調(diào)節(jié)中的應(yīng)用，并以具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】PMAC，PID，直線電機(jī)
1.引言
當(dāng)今社會(huì)，自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)作為高科技時(shí)代的領(lǐng)導(dǎo)者，更加嚴(yán)格要求各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精準(zhǔn)度，由此，在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上配備一套變換機(jī)構(gòu)而構(gòu)成的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，已難以滿足當(dāng)代控制系統(tǒng)愈發(fā)精準(zhǔn)的要求，因此直線電機(jī)的研究、發(fā)展與應(yīng)用工作成為世界各國當(dāng)今的發(fā)展方向，促使直線電機(jī)具有越來越開擴(kuò)的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.PMAC控制器簡(jiǎn)介
上世紀(jì)九十年代，美國Delta Tau公司研發(fā)了一種開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，命名為PMAC(Programmable Multi-axis Contro-ller)。PMAC是具有高性能的伺服控制器，其核心為DSP，它可借助高級(jí)語言靈活的控制最多八軸同時(shí)運(yùn)行，還能提供內(nèi)務(wù)處理、運(yùn)動(dòng)控制、離散開展、同主機(jī)交互等功能。
PMAC是一臺(tái)完整的可以任務(wù)識(shí)別的計(jì)算機(jī)，能自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)等級(jí)識(shí)別，將高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)比低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)先進(jìn)行操作。其執(zhí)行速度、分辨率等指標(biāo)均高于普通的控制器。伺服控制分為PID加Notch和速度、加速度前饋控制?？膳cMACRO現(xiàn)場(chǎng)總線的高速環(huán)網(wǎng)相連接，直接靈活的對(duì)生產(chǎn)線實(shí)施控制。
相對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)控制器，PMAC的開放性最為突出。其內(nèi)部寄存器可允許用戶按照自身需要來使用。PMAC的A/D和I/O和內(nèi)部寄存器都是統(tǒng)一編址，A/D和I/O的用法與PMAC其它內(nèi)存用法相同，具有很強(qiáng)的便利性。內(nèi)部寄存器和A/D、I/O的地址可以使用PMAC的默認(rèn)值，用戶也可以根據(jù)需要自己定義。
3.直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)與基本工作原理
3.1 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)
直線電機(jī)是一種傳動(dòng)裝置，其工作模式是將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，轉(zhuǎn)換過程中不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1初級(jí)2次級(jí)行波磁場(chǎng)
3.2 直線電機(jī)基本工作原理
將三相對(duì)稱正弦電流通入直線電機(jī)的三相繞組之后，會(huì)有氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生。若忽略因鐵心兩端斷開而產(chǎn)生的縱向邊端效應(yīng)，氣隙磁場(chǎng)的分布與旋轉(zhuǎn)電機(jī)無太大差別，因此可認(rèn)為磁場(chǎng)是沿展開的直線方向呈正弦形分布。三相電流會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生改變，氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C相序沿直線移動(dòng)。此原理接近于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，但略有區(qū)別，氣隙磁場(chǎng)是平移的，旋轉(zhuǎn)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)的，所以氣隙磁場(chǎng)又稱作行波磁場(chǎng)。
不難看出氣隙磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上運(yùn)動(dòng)的線速度相同，為Vs，叫做同步速度(m/s)，而且Vs=2f。
筆者對(duì)行波磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)的作用也進(jìn)行了分析。假設(shè)次級(jí)為柵形次級(jí)，次級(jí)導(dǎo)條受到行波磁場(chǎng)的切割，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同時(shí)產(chǎn)生電流。次級(jí)導(dǎo)條中的電流與行波磁場(chǎng)相互作用從而產(chǎn)生電磁推力。受到推力之后，若初級(jí)是穩(wěn)定的，次級(jí)就順著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向呈直線型運(yùn)動(dòng)。若次級(jí)以v的速度運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)的差率(簡(jiǎn)稱移差率)用s表示，于是有：
4.PMAC+PC下的直線電機(jī)PID控制
直線電機(jī)的負(fù)載連接到直線電機(jī)的定子，伺服系統(tǒng)的性能與負(fù)載的變化和外部影響有很大的關(guān)聯(lián)。所以要利用閉環(huán)的形式對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確度高的伺服控制。
PMAC展示的是PID+前饋控制的控制算法，算法流程如圖2所示。
DACout(n)表示伺服周期n中16位輸出命令(-32768到+32767)，其值由Ix69定義，它將轉(zhuǎn)換為-10V到+10V的電壓輸出。Ix08表示電機(jī)X中一個(gè)內(nèi)部位置放大系數(shù)(通常設(shè)為96)。而Ix09表示電機(jī)X中速度環(huán)的一個(gè)內(nèi)部放大系數(shù)。FE(n)表示伺服周期n內(nèi)得到的跟隨誤差，是該周期內(nèi)指令位置與實(shí)際位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n)表示伺服周期n內(nèi)的實(shí)際速度，是每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)實(shí)際位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n)表示伺服周期n內(nèi)的指令速度，是每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n)表示伺服周期n內(nèi)的指令加速度，是每個(gè)伺服周期最后兩個(gè)指令的速度差值[CV(n)-CV(n-1)]。IE(n)表示伺服周期n的跟隨誤差的積分，其值為：
5.直線電機(jī)的PID控制實(shí)驗(yàn)
5.1 PID濾波器工作原理
過去伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要按照反饋控制原理進(jìn)行，不能完全實(shí)現(xiàn)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屬于全數(shù)字伺服系統(tǒng)，通過采用計(jì)算機(jī)的硬件以及軟件技術(shù)，以新的控制方法對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行完善，并能實(shí)現(xiàn)速度和精度的高要求。通過軟件來決定系統(tǒng)的位置、速度以及電流的校正環(huán)節(jié)PID控制。利用前饋控制技術(shù)，形成以“反饋-前饋”為模式的復(fù)合控制系統(tǒng)，大大縮小了位置跟蹤滯后造成的誤差，位置控制精度明顯提高。理論上，這種系統(tǒng)可以對(duì)速度誤差、加速度誤差、靜態(tài)位置誤差以及外界干擾引起的誤差消除完全，真正實(shí)現(xiàn)“無誤差調(diào)節(jié)”。
為了保證穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均為良好狀態(tài)，同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)位置控制的要求，就要校正和完善系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)?？刂骗h(huán)節(jié)占據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的較為重要的地位，因此確定系統(tǒng)的基本特性(包括機(jī)械傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)選型等)之后，就要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行校正。通常是在伺服環(huán)濾波器的調(diào)節(jié)下，按照被控物理系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能來設(shè)置伺服環(huán)參數(shù)，保證能夠?qū)崿F(xiàn)剛性高、穩(wěn)定性強(qiáng)以及跟隨誤差小的系統(tǒng)伺服特性能。
5.2 PID濾波器的調(diào)節(jié)
為達(dá)到適合PC及其兼容機(jī)的PMAC執(zhí)行程序的目的，PEWIN32提供了一個(gè)調(diào)節(jié)PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波器參數(shù)的較為簡(jiǎn)便方法。 在用階躍響應(yīng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，保持參數(shù)穩(wěn)定，利用正弦波響應(yīng)來調(diào)整前饋，并取得“速度”和“跟隨誤差”兩項(xiàng)數(shù)據(jù)。
步驟如下：
在初始化階段，要連接正確光刻機(jī)控制系統(tǒng)，安裝PEWIN32執(zhí)行軟件，確保主機(jī)與PMAC正常通信，并對(duì)PMAC進(jìn)行初始化設(shè)置和簡(jiǎn)單人工操作。
(1)將所有電機(jī)閉環(huán)。通過#1j/、#2j/和#4j/在線命令執(zhí)行。
(2)輸入正弦波的運(yùn)動(dòng)大小和時(shí)間，按下“Do a Parabolic”鍵，執(zhí)行正弦波響應(yīng)。
(3)待主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集整理，利用曲線與命令曲線的形式展現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較。仔細(xì)分析響應(yīng)曲線中的速度系數(shù)、平均速度誤差、加速度系數(shù)、平均加速度誤差、最大誤差以及各種變量值。
(4)加大Ix32，重復(fù)響應(yīng)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(xiàng)。增加Ix35，觀察響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù)值的變化，如果不夠明顯，縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間或者加大運(yùn)動(dòng)長度。繼續(xù)增加Ix35，所有系數(shù)均為正數(shù)方可。此時(shí)的跟隨誤差主要由噪聲或機(jī)械摩擦導(dǎo)致的，誤差較小。
(5)Ix34=1，增加Ix32，調(diào)節(jié)Ix35，得到合適的響應(yīng)曲線為止。
如圖3、4所示，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，可以使光刻機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能較為理想。
6.結(jié)束語
筆者圍繞直線電機(jī)，將其作為光刻機(jī)控制系統(tǒng)的快速伺服進(jìn)給單元進(jìn)行了研究，可滿足光刻機(jī)零傳動(dòng)的需求。利用PID+前饋控制法實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的控制，整體上提高了直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，為直線電機(jī)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(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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電機(jī)控制技術(shù)論文篇二
電機(jī)控制的技術(shù)市場(chǎng)動(dòng)向
摘要：通過對(duì)部分市場(chǎng)調(diào)查公司和半導(dǎo)體供應(yīng)商的訪問，探討了當(dāng)前電機(jī)控制的技術(shù)市場(chǎng)動(dòng)向。
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.001
電機(jī)控制市場(chǎng)
概覽
電機(jī)應(yīng)用于消費(fèi)電子、住宅、工業(yè)、通用、交通和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。據(jù)德州儀器(TI)半導(dǎo)體技術(shù)(上海)公司半導(dǎo)體事業(yè)部市場(chǎng)推廣經(jīng)理__林介紹，新興的應(yīng)用機(jī)會(huì)有工業(yè)泵和壓縮機(jī)、HVAC(加熱通風(fēng)空調(diào))、汽車、低電壓風(fēng)扇、醫(yī)療泵等。
電機(jī)類型方面，90%的市場(chǎng)是步進(jìn)電機(jī)、有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)：占整個(gè)市場(chǎng)的15%，有開環(huán)位置和速度控制，簡(jiǎn)單的控制I/F，適合于做執(zhí)行機(jī)構(gòu);
有刷DC：占45%市場(chǎng)份額，特點(diǎn)是容易旋轉(zhuǎn)，低成本。但是刷子會(huì)磨損，效率不高、工作發(fā)熱。
無刷DC：30%市場(chǎng)份額，壽命長/可靠且有效率，控制精度也較高。缺點(diǎn)是成本和復(fù)雜性較高。
表1 電機(jī)市場(chǎng)/TAM/年?duì)I業(yè)額
中國電機(jī)市場(chǎng)
IHS IMS Research公司負(fù)責(zé)電機(jī)和電機(jī)控制的高級(jí)分析師周萬木稱，在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，最激動(dòng)人心的事情莫過于高效電機(jī)的切換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)所帶來的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
2012年5月11日國家發(fā)布了《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》即GB18613-2012，將取代GB18613-2006成為新的中國高效電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制實(shí)施日期為2012年9月1日。GB18613-2012適用于1000V以下的電壓，50Hz三相交流電源供電，額定功率在0.75kW～375kW范圍內(nèi)，極數(shù)為2級(jí)、4級(jí)和6級(jí)，連續(xù)工作制的一般用途電動(dòng)機(jī)或防爆電動(dòng)機(jī)。
2006年發(fā)布GB18613-2006以來，由于種種原因，我國高效電機(jī)推廣一直停滯不前。不過近年來各種政策執(zhí)行力度逐漸增強(qiáng)，能效標(biāo)簽管理制度越來越健全，客戶對(duì)高效節(jié)能電機(jī)認(rèn)知度開始提升，財(cái)政補(bǔ)貼將普通電機(jī)和高效電機(jī)價(jià)格差填平，2011年下半年來原材料價(jià)格上漲壓力減小。IHS認(rèn)為以上所有因素的效果疊加，會(huì)在很大程度上啟動(dòng)高效電機(jī)市場(chǎng)需求，引發(fā)電機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)。
根據(jù)IHS IMS Research公司《中國中小型電機(jī)市場(chǎng)研究報(bào)告》，2012年中國中小型電機(jī)市場(chǎng)容量為200億元人民幣，年出貨量約1200萬臺(tái)。IHS預(yù)期高效電機(jī)銷量將從2012年第4季度開始增加，大規(guī)模的切換將會(huì)開始發(fā)生在2013年，參考美國當(dāng)年2～3年完成高效電機(jī)切換的歷史，預(yù)計(jì)高效節(jié)能電機(jī)在中國將呈現(xiàn)穩(wěn)步增長，第一個(gè)銷售高峰將從2013年第2季度開始。而普通電機(jī)的市場(chǎng)將從2013進(jìn)入負(fù)增長，逐漸萎縮。
高效電機(jī)的切換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域帶來了新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。眾所周知，單獨(dú)更換高效電機(jī)，平均效率只能提高5%左右，而使用變頻器加上高效電機(jī)，整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果就能達(dá)到50%以上!如果工業(yè)客戶開始使用高效電機(jī)，沒有理由不再安裝變頻器使整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)變得更加節(jié)能，這樣變頻器的需求將會(huì)大大增加。另外，永磁電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)在很多行業(yè)都發(fā)揮了很好的節(jié)能降耗作用。
整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制將是大勢(shì)所趨。電機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)故障報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷調(diào)試等需求將會(huì)要求使用越來越多的功能更多，處理能力更強(qiáng)的MCU和DSP。未來的工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)是整個(gè)工廠系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分和能源使用監(jiān)控點(diǎn)。遠(yuǎn)程電機(jī)溫度檢測(cè)、異常震動(dòng)檢測(cè)和電流電壓監(jiān)測(cè)等需求將會(huì)為模擬芯片創(chuàng)造更多的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
圖1 電機(jī)分布圖
電機(jī)控制的技術(shù)趨勢(shì)
更加綠色
Microchip公司MCU16產(chǎn)品部產(chǎn)品營銷經(jīng)理Charlie Ice稱，Microchip預(yù)期“綠色”電機(jī)控制技術(shù)將始終是電機(jī)控制市場(chǎng)的重要因素。為實(shí)現(xiàn)“綠色”電機(jī)控制所需的更高效率，電機(jī)控制設(shè)計(jì)人員將繼續(xù)尋找更高級(jí)的控制算法、新型電機(jī)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)智能技術(shù)。預(yù)計(jì)BLDC(直流無刷電機(jī)控制)電機(jī)將因其增強(qiáng)的可靠性和更高的效率而在許多系統(tǒng)中逐漸取代有刷直流電機(jī)。BLDC電機(jī)控制算法將越來越先進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)高效系統(tǒng)。預(yù)計(jì)正弦電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將取代梯形控制，而磁場(chǎng)定向控制(FOC)之類的算法將得到更普遍應(yīng)用。同時(shí)，使用交流感應(yīng)電機(jī)的系統(tǒng)也將采用更高效的控制算法，如磁場(chǎng)定向控制，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率。除了更高效的控制算法，還將加強(qiáng)新型電機(jī)的開發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將著眼于新型電機(jī)，如開關(guān)磁阻電機(jī)和內(nèi)置式無刷永磁電機(jī)，與當(dāng)今很受歡迎的電機(jī)類型相比，它們更有可能實(shí)現(xiàn)更高效率。
綠色=高效設(shè)計(jì)+高效控制
英飛凌科技工業(yè)與多元電子市場(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理黃志鴻稱，該公司對(duì)于綠色電機(jī)技術(shù)的定義指的是高能效電機(jī)設(shè)計(jì)和高效電機(jī)控制技術(shù)。二者的結(jié)合可將電機(jī)的能效提高一倍。最常使用的單相交流感應(yīng)電機(jī)的能效為30%至50%。采用綠色電機(jī)技術(shù)后，系統(tǒng)的能效可提高至80%以上。諸如無刷直流電機(jī)(BLDC)和永磁電機(jī)(PMSM)等綠色電機(jī)，要求采用單片機(jī)(MCU)和磁傳感器實(shí)現(xiàn)精確控制和實(shí)時(shí)響應(yīng)。低損耗電力電子器件可提升系統(tǒng)的整體效率。隨著系統(tǒng)成本上升，電子組件的質(zhì)量和可靠性成為一個(gè)重要的考慮因素，質(zhì)量和可靠性不高的電子組件有損于系統(tǒng)的環(huán)保性。
新的電機(jī)控制算法要求經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師。全新推出的單片機(jī)工具鏈包含自動(dòng)代碼生成器，從而可減輕工程師的軟件開發(fā)任務(wù)。
未來電機(jī)方向
TI__林經(jīng)理稱，除了硬件以外，重要的是如何用很優(yōu)異的算法去控制。TI在全球除了做IC設(shè)計(jì)外，還有一個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)室Kilby Lab做算法，也就是冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具這些硬件的算法。
對(duì)于未來電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，TI模擬器件驅(qū)動(dòng)方案主要關(guān)注于以下幾點(diǎn)：嵌入式控制，控制算法，數(shù)字控制環(huán)路，更高的集成度，改進(jìn)的動(dòng)作屬性(引擎/性能)。MCU方面的創(chuàng)新主要會(huì)涉及：自動(dòng)化電機(jī)控制，差異化工具，成本、效率、連接與安全性的選擇，讓客戶集中精力實(shí)現(xiàn)增值。
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