電機控制技術論文集
電機應用于消費電子、住宅、工業(yè)、通用、交通和農(nóng)業(yè)等領域。下面小編給大家分享一些電機控制技術論文集，大家快來跟小編一起欣賞吧。
電機控制技術論文篇一
基于PMAC的電機控制技術研究
【摘要】隨著科學技術的不斷發(fā)展，工業(yè)水平的不斷提升，在世界范圍內(nèi)的先進控制技術得到了很大的提升。在以往的電機控制中，由于控制器的控制能力有限，使得被控對象在運行時有很大的誤差產(chǎn)生，而以PMAC為核心控制器的電機運行設備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(diào)節(jié)中的應用，并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(tǒng)的定位精準度，由此，在傳統(tǒng)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(tǒng)愈發(fā)精準的要求，因此直線電機的研究、發(fā)展與應用工作成為世界各國當今的發(fā)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(fā)了一種開放式多軸運動控制器，命名為PMAC(Programmable Multi-axis Contro-ller)。PMAC是具有高性能的伺服控制器，其核心為DSP，它可借助高級語言靈活的控制最多八軸同時運行，還能提供內(nèi)務處理、運動控制、離散開展、同主機交互等功能。
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(yōu)先級的任務比低優(yōu)先級的任務先進行操作。其執(zhí)行速度、分辨率等指標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。可與MACRO現(xiàn)場總線的高速環(huán)網(wǎng)相連接，直接靈活的對生產(chǎn)線實施控制。
相對于其他運動控制器，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的默認值，用戶也可以根據(jù)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后，會有氣隙磁場產(chǎn)生。若忽略因鐵心兩端斷開而產(chǎn)生的縱向邊端效應，氣隙磁場的分布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布。三相電流會隨著時間發(fā)生改變，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。此原理接近于旋轉電機，但略有區(qū)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(nèi)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(chǎn)生感應電動勢同時產(chǎn)生電流。次級導條中的電流與行波磁場相互作用從而產(chǎn)生電磁推力。受到推力之后，若初級是穩(wěn)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，于是有：
4.PMAC+PC下的直線電機PID控制
直線電機的負載連接到直線電機的定子，伺服系統(tǒng)的性能與負載的變化和外部影響有很大的關聯(lián)。所以要利用閉環(huán)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，它將轉換為-10V到+10V的電壓輸出。Ix08表示電機X中一個內(nèi)部位置放大系數(shù)(通常設為96)。而Ix09表示電機X中速度環(huán)的一個內(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)指令位置與實際位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n)表示伺服周期n內(nèi)的實際速度，是每個伺服周期最后兩個實際位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n)表示伺服周期n內(nèi)的指令速度，是每個伺服周期最后兩個指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n)表示伺服周期n內(nèi)的指令加速度，是每個伺服周期最后兩個指令的速度差值[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.直線電機的PID控制實驗
5.1 PID濾波器工作原理
過去伺服系統(tǒng)的設計主要按照反饋控制原理進行，不能完全實現(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)，通過采用計算機的硬件以及軟件技術，以新的控制方法對系統(tǒng)的性能進行完善，并能實現(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，形成以“反饋-前饋”為模式的復合控制系統(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，真正實現(xiàn)“無誤差調(diào)節(jié)”。
為了保證穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性均為良好狀態(tài)，同時滿足系統(tǒng)對位置控制的要求，就要校正和完善系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)。控制環(huán)節(jié)占據(jù)整個系統(tǒng)的較為重要的地位，因此確定系統(tǒng)的基本特性(包括機械傳動、電動機選型等)之后，就要對系統(tǒng)的控制環(huán)進行校正。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)的動力學性能來設置伺服環(huán)參數(shù)，保證能夠實現(xiàn)剛性高、穩(wěn)定性強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)
為達到適合PC及其兼容機的PMAC執(zhí)行程序的目的，PEWIN32提供了一個調(diào)節(jié)PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波器參數(shù)的較為簡便方法。 在用階躍響應對PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)后，保持參數(shù)穩(wěn)定，利用正弦波響應來調(diào)整前饋，并取得“速度”和“跟隨誤差”兩項數(shù)據(jù)。
步驟如下：
在初始化階段，要連接正確光刻機控制系統(tǒng)，安裝PEWIN32執(zhí)行軟件，確保主機與PMAC正常通信，并對PMAC進行初始化設置和簡單人工操作。
(1)將所有電機閉環(huán)。通過#1j/、#2j/和#4j/在線命令執(zhí)行。
(2)輸入正弦波的運動大小和時間，按下“Do a Parabolic”鍵，執(zhí)行正弦波響應。
(3)待主機傳輸數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進行采集整理，利用曲線與命令曲線的形式展現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)，進行比較。仔細分析響應曲線中的速度系數(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，觀察響應曲線和數(shù)據(jù)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(xù)增加Ix35，所有系數(shù)均為正數(shù)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)PID參數(shù)，可以使光刻機系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能較為理想。
6.結束語
筆者圍繞直線電機，將其作為光刻機控制系統(tǒng)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(xiàn)直線電機的控制，整體上提高了直線電機進給系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，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(tǒng)領域的發(fā)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(diào)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
電機應用于消費電子、住宅、工業(yè)、通用、交通和農(nóng)業(yè)等領域。據(jù)德州儀器(TI)半導體技術(上海)公司半導體事業(yè)部市場推廣經(jīng)理__林介紹，新興的應用機會有工業(yè)泵和壓縮機、HVAC(加熱通風空調(diào))、汽車、低電壓風扇、醫(yī)療泵等。
電機類型方面，90%的市場是步進電機、有刷電機和無刷電機。
步進電機：占整個市場的15%，有開環(huán)位置和速度控制，簡單的控制I/F，適合于做執(zhí)行機構;
有刷DC：占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(fā)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。缺點是成本和復雜性較高。
表1 電機市場/TAM/年營業(yè)額
中國電機市場
IHS IMS Research公司負責電機和電機控制的高級分析師周萬木稱，在工業(yè)電機驅動領域，最激動人心的事情莫過于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日國家發(fā)布了《中小型三相異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、4級和6級，連續(xù)工作制的一般用途電動機或防爆電動機。
2006年發(fā)布GB18613-2006以來，由于種種原因，我國高效電機推廣一直停滯不前。不過近年來各種政策執(zhí)行力度逐漸增強，能效標簽管理制度越來越健全，客戶對高效節(jié)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(fā)電機產(chǎn)品結構調(diào)整，進而促進產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級。
根據(jù)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(guī)模的切換將會開始發(fā)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(jié)能電機在中國將呈現(xiàn)穩(wěn)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(tǒng)的節(jié)能效果就能達到50%以上!如果工業(yè)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(tǒng)變得更加節(jié)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(yè)都發(fā)揮了很好的節(jié)能降耗作用。
整個電機控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡化和遠程控制將是大勢所趨。電機系統(tǒng)自動故障報警、遠程監(jiān)控和遠程診斷調(diào)試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(yè)電機系統(tǒng)不僅僅是一個執(zhí)行機構，同時也會是整個工廠系統(tǒng)的一個有機組成部分和能源使用監(jiān)控點。遠程電機溫度檢測、異常震動檢測和電流電壓監(jiān)測等需求將會為模擬芯片創(chuàng)造更多的市場機會。
圖1 電機分布圖
電機控制的技術趨勢
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(xiàn)“綠色”電機控制所需的更高效率，電機控制設計人員將繼續(xù)尋找更高級的控制算法、新型電機設計和系統(tǒng)智能技術。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(tǒng)中逐漸取代有刷直流電機。BLDC電機控制算法將越來越先進，從而實現(xiàn)高效系統(tǒng)。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)之類的算法將得到更普遍應用。同時，使用交流感應電機的系統(tǒng)也將采用更高效的控制算法，如磁場定向控制，從而實現(xiàn)更高的效率。除了更高效的控制算法，還將加強新型電機的開發(fā)。系統(tǒng)設計人員將著眼于新型電機，如開關磁阻電機和內(nèi)置式無刷永磁電機，與當今很受歡迎的電機類型相比，它們更有可能實現(xiàn)更高效率。
綠色=高效設計+高效控制
英飛凌科技工業(yè)與多元電子市場部高級經(jīng)理黃志鴻稱，該公司對于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%。采用綠色電機技術后，系統(tǒng)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，要求采用單片機(MCU)和磁傳感器實現(xiàn)精確控制和實時響應。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組件有損于系統(tǒng)的環(huán)保性。
新的電機控制算法要求經(jīng)驗豐富的工程師。全新推出的單片機工具鏈包含自動代碼生成器，從而可減輕工程師的軟件開發(fā)任務。
未來電機方向
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設計外，還有一個專門的實驗室Kilby Lab做算法，也就是冰箱、洗衣機、空調(diào)、電動自行車、電動工具這些硬件的算法。
對于未來電機技術的發(fā)展，TI模擬器件驅動方案主要關注于以下幾點：嵌入式控制，控制算法，數(shù)字控制環(huán)路，更高的集成度，改進的動作屬性(引擎/性能)。MCU方面的創(chuàng)新主要會涉及：自動化電機控制，差異化工具，成本、效率、連接與安全性的選擇，讓客戶集中精力實現(xiàn)增值。
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4.電動機技術論文