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(蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州  215606)    田會峰，劉文杰，梁林祖 
田會峰（1980—）
男，安徽蕭縣人，碩士研究生 ，研究方向為自動控制。

    近年來，隨著自動控制技術(shù)和微型計算機的高速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機再加上一套變換機構(gòu)組成的直線運動驅(qū)動裝置，已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，為此，近年來世界許多國家都在研究、發(fā)展和應(yīng)用直線電機，使得直線電機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

1 PMAC控制器簡介

    PMAC(Programmable Multi-axis Controller)是美國Delta Tau公司在上世紀(jì)九十年代推出的一種開放式多軸運動控制器。它是一種以DSP為核心的擁有高性能伺服控制器，可以通過靈活的高級語言最多控制八軸同時運動，并提供了運動控制、離散開展、內(nèi)務(wù)處理、同主機交互等基本功能。

    PMAC是一臺完整的計算機，它還是一臺實時多任務(wù)的計算機，能自動對任務(wù)進行等級判斷，從而使具有高優(yōu)先級的任務(wù)比具有低優(yōu)先級的任務(wù)先被執(zhí)行。它的速度、分辨率等指標(biāo)遠優(yōu)于一般控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制。可連接MACRO現(xiàn)場總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進行生產(chǎn)線的連動控制。

    與其他運動控制器相比，PMAC的最大特點是開放性。允許用戶根據(jù)自己的用途使用內(nèi)部寄存器。PMAC的A/D和I/O與內(nèi)部寄存器一樣是統(tǒng)一編址，可以像使用PMAC其它內(nèi)存一樣來操作A/D和I/O，使用非常方便。內(nèi)部寄存器和A/D、I/O的地址既可以使用PMAC的默認值，也可以由用戶重新定義，以滿足不同的需要。

2  直線電機的結(jié)構(gòu)與基本工作原理

    2.1  直線電機的結(jié)構(gòu)

    直線電機的直線電機是一種將電能轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。  直線電機的結(jié)構(gòu)如圖  1所示。

圖1   直線電機結(jié)構(gòu)
1 初級    2 次級  3行波磁場

    2.2 直線電機基本工作原理

    直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，也會產(chǎn)生氣隙磁場。當(dāng)不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應(yīng)時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機相似，即可看成沿展開的直線發(fā)向呈正弦形分布。當(dāng)三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。這個原理與旋轉(zhuǎn)電機相似，二者的差異是：這個磁場是平移的，而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。

    顯然，行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為Vs ，稱為同步速度（m/s），且
           Vs =2f

    再來看行波磁場對次級的作用。假定次級為柵形次級，次級導(dǎo)條在行波磁場切割下，將感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流。而所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，如果初級是固定不動的，那么次級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。若次級移動的速度用v表示，移動的差率（簡稱移差率）用s表示，則有：
        
      s=
         
     Vs-V=sVs
         
     V=（1-s）Vs

其中，在電機運動狀態(tài)下，s在0與1之間。          

3  PMAC+PC下的直線電機PID控制

    直線電機的負載與直線電機的定子相連，負載的變化和外部擾動直接影響伺服系統(tǒng)的性能。因此，直線電機的控制需要采用閉環(huán)控制這種高精度的伺服控制。   
PMAC提供的是PID+前饋控制的控制算法，其算法流程圖如圖2所示。

圖2   PID伺服調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

    在圖2控制算法中，各參數(shù)所代表的變量分別如下：

    Kp：比例增益(Ix30); Kd：微分增益(Ix31)；Kvff ：速度前饋增益(Ix32)；Ki：積分增益（Ix33）；IM：積分模式(Ix34)；Kaff ：加速度前饋增益(Ix35)。

    PID伺服調(diào)節(jié)是通過設(shè)定不同的I變量來實現(xiàn)的。計算公式如下：

    DACout(n)=2-19*Ix30*[{Ix08*[FE(n)+(Ix32*CV(n)+Ix35*CA(n))/128+Ix33*IE(n)/223]}-Ix31*Ix09*AV(n)/128]

    其中：DACout(n)是伺服周期n中16位輸出命令（-32768到+32767）。它將轉(zhuǎn)換成-10V到+10V的電壓輸出。DACout(n)的值由Ix69定義。Ix08是電機X的一個內(nèi)部位置放大系數(shù)(通常設(shè)為96)。Ix09是電機X的速度環(huán)的一個內(nèi)部放大系數(shù)。FE(n)是伺服周期n內(nèi)所得的跟隨誤差，即該周期內(nèi)指令位置和實際位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n) 是伺服周期n內(nèi)的實際速度，即每個伺服周期最后兩個實際位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n) 是伺服周期n內(nèi)的指令速度，即每個伺服周期最后兩個指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n) 是伺服周期n內(nèi)的指令加速度，即每個伺服周期最后兩個指令速度的差值[CV(n)-CV(n-1)]。IE(n)是伺服周期n的跟隨誤差的積分，大小為：

圖3   PMAC的PID+前饋調(diào)整界面



 圖4   前饋調(diào)節(jié)后正弦波響應(yīng)曲線