專利名稱：一種用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)電控制領(lǐng)域，特別涉及一種用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代光電探測(cè)設(shè)備的尺寸越來越大，如國(guó)外最新型的天文望遠(yuǎn)鏡尺寸已經(jīng)達(dá)到30-50m。以往的傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這些光電探測(cè)設(shè)備所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)械剛度。如果按照傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方案，需要采用的直接驅(qū)動(dòng)的力矩電機(jī)直徑將達(dá)到IOm以上。這將給電機(jī)的加工、運(yùn)輸帶來很大的麻煩。針對(duì)這一問題，一種采用新型的多定子弧形電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式得到了應(yīng)用。該種電機(jī)由多塊弧形定子組成，每塊定子和動(dòng)子之間都相當(dāng)于一臺(tái)單元電機(jī)，整臺(tái)電機(jī)可以看成是由多臺(tái)單元電機(jī)構(gòu)成的大電機(jī)。該種電機(jī)和望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，可以形成剛度很強(qiáng)的連接關(guān)系，可以大大提高望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。除此之外當(dāng)一塊定子出現(xiàn)故障的時(shí)候，可以隨時(shí)拆除維修，并不影響整臺(tái)電機(jī)正常工作。但是該種電機(jī)存在力矩波動(dòng)較大的問題。如果電機(jī)產(chǎn)生的力矩波動(dòng)較大，將不利于望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)精密跟蹤。力矩波動(dòng)造成的原因有很多種，其中最主要的原因就是該種電機(jī)存在較大的邊端力和齒槽力。國(guó)內(nèi)外的很多研究文獻(xiàn)表明，一般情況下，邊端力要比齒槽力大很多。邊端力是由于定子鐵心長(zhǎng)度有限，在鐵心的邊端發(fā)生磁導(dǎo)突變，從而導(dǎo)致定子與動(dòng)子的相互作用力發(fā)生改變。為了盡可能減小力矩波動(dòng)，必須采用有效的方法來減小電機(jī)的邊端力。弧形電機(jī)從性質(zhì)上來說，屬于永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)的控制方法主要有空間矢量控制(SVPWM)、直接轉(zhuǎn)矩控制、滑?？刂频?。其中SVPWM是從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通。它以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題針對(duì)目前弧形電機(jī)存在較大的力矩波動(dòng)的問題，提供一種用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法，從而達(dá)到減小力矩波動(dòng)的目的。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法，所述多定子弧形電機(jī)由四塊定子組成，其中定子A和C為第一組，它們之間相差^Ji電角度， 定子B和D為第二組，它們之間也相差^Ji電角度，第一組定子和第二組定子之間相差 2kπ + π/2電角度；利用DSP的兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB分別產(chǎn)生兩路空間矢量控制 SVPWM信號(hào)控制所述兩組定子，分別對(duì)兩組定子實(shí)現(xiàn)速度和電流的雙閉環(huán)控制，保證整臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)、高精度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)配置DSP中的各個(gè)控制寄存器，初始化DSP中各個(gè)模塊；(2)通過DSP的CAP/QEP (捕獲單元模塊/正交編碼脈沖模塊)對(duì)電機(jī)的位置測(cè)量
4系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度Φ和旋轉(zhuǎn)速度ν ；(3)通過DSP的A/D模塊對(duì)兩組定子繞組中電流進(jìn)行采集和保持；(4)對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行CLARKE和PARK變換得到直軸電流Id和交軸電流Iq ；(5)將計(jì)算得到的速度大小ν和給定的速度/，計(jì)算得到的直軸電流Id和給定的直軸電流ΙΛ計(jì)算得到的交軸電流I,和給定的交軸電流It;分別進(jìn)行PID計(jì)算；(6)將PID計(jì)算后得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電流和直軸電流進(jìn)行逆PARK變化， 得到靜止坐標(biāo)系下的交軸電流Ia和I0 ；(7)將得到的交軸電壓Ua和…經(jīng)過SVGEN模塊(電壓空間矢量模塊)計(jì)算得到 SVPWM控制方式中三相驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)時(shí)間Ta、Tb、T。；(S)DSP根據(jù)開關(guān)時(shí)間Ta、Tb、Tc產(chǎn)生相應(yīng)的SVPWM信號(hào)控制智能功率模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。2、上述步驟(1)中具體還包括以下步驟1)系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定DSP工作頻率設(shè)定為150MHz ；2) I/O端口初始化設(shè)定相應(yīng)的GPI0/PWM端口為外設(shè)功能；3)A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)定為單次轉(zhuǎn)換模式；4)事件管理器初始化設(shè)定各通用定時(shí)器，設(shè)定CAP/QEP的工作模式；5)中斷管理初始化。3、上述步驟O)中具體還包括以下步驟1)使能中斷CAPINT3，通過捕獲單元CAP3捕獲增量式光柵尺的零位，一旦發(fā)生中斷，對(duì)光柵尺的計(jì)數(shù)脈沖立即清零；2)位置測(cè)量系統(tǒng)采用的是RENISHA公司的RESM光柵尺，該光柵尺上有86400條刻痕，經(jīng)過電路細(xì)分后角分辨率可以達(dá)到0.05"。通過DSP的QEP電路對(duì)光柵尺的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角度Φ ；3)在計(jì)數(shù)器1的下溢中斷頻率為20k，通過兩次下溢中斷函數(shù)中位置的差值乘以中斷頻率即可得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度V。4、上述步驟(7)中具體還包括以下步驟(7. 1)判斷Ua和U0合成電壓Uout所在扇區(qū)；(7. 2)計(jì)算相鄰矢量的作用時(shí)間Tl、T2 ；(7. 3)計(jì)算每個(gè)扇區(qū)開關(guān)作用時(shí)間Ta、Tb、Tc，其中Ta、Tb為每個(gè)扇區(qū)相鄰矢量作用時(shí)間，Tc為零矢量作用時(shí)間。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在很大程度消除弧形電機(jī)由于邊端效應(yīng)造成的力矩波動(dòng)，滿足電機(jī)寬調(diào)速、高精度旋轉(zhuǎn)。由于邊端力是以永磁體極距為周期的周期函數(shù)，如果使兩塊定子之間的距離相差奇數(shù)倍的極距，那么兩臺(tái)單元電機(jī)的邊端力就會(huì)相互抵消，從而在很大程度上減小電機(jī)整體的邊端力?；谝陨纤悸?，本發(fā)明中采用的弧形電機(jī)由四塊定子組成，其中定子A和C為第一組，它們之間相差業(yè)π電角度，定子B和D為第二組，它們之間也相差業(yè)Ji電角度，但是第一組定子和第二組定子之間相差業(yè)π + π /2 電角度。這樣當(dāng)四塊定子其它結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，第一組和第二組定子之間的邊端力就會(huì)相互抵消，電機(jī)動(dòng)子上的邊端力將會(huì)大大減小，電機(jī)輸出的力矩波動(dòng)也將大大減小。由于兩組定子的初始相位不同，相差Okn + n/2)，那么就不能才用同一信號(hào)來控制。本發(fā)
5明采用兩組SVPWM控制信號(hào)對(duì)兩組定子分別進(jìn)行電流和速度雙閉環(huán)控制，保證整臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)、高精度旋轉(zhuǎn)。


圖1本發(fā)明的控制過程原理圖；圖2本發(fā)明涉及到的弧形電機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)方框圖；圖3本發(fā)明涉及到的弧形電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖；圖4本發(fā)明的控制過程流程圖；圖5本發(fā)明的電流、電壓轉(zhuǎn)化圖；圖6本發(fā)明的PID模塊框圖；圖7本發(fā)明的三相逆變器原理圖；圖8本發(fā)明的電壓空間矢量扇區(qū)圖。
具體實(shí)施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法主要包括 利用DSP的EVA和EVB兩個(gè)事件管理器模塊分別產(chǎn)生兩路SVPWM信號(hào)控制智能功率模塊 (IPM模塊)驅(qū)動(dòng)兩組定子，采用增量式光柵尺測(cè)量系統(tǒng)得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，利用DSP 的AD模塊采集電機(jī)定子繞組電流大小，利用PID算法分別對(duì)兩組定子實(shí)現(xiàn)速度和電流的雙閉環(huán)控制，保證整臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)、高精度旋轉(zhuǎn)。如圖1所示兩組定子組采用的控制方法相同，不同之處在于兩組定子的位置信息不同，即定子組1比定子組2超前業(yè)π + π /2電角度。此處以定子組1為例說明整個(gè)控制過程。首先通過光柵尺位置測(cè)量系統(tǒng)得到電機(jī)的機(jī)械角度Φ，乘以中斷函數(shù)的頻率得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度Vn*，將測(cè)量得到的速度Vn*和程序設(shè)定的速度Vn進(jìn)行PID運(yùn)算得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系交軸電流的理論值i:，將DSP的AD采集到的電機(jī)相電流ia、ib、i。經(jīng)過CLARK變換和PARK 變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電流測(cè)量值、和直軸電流測(cè)量值id。將交軸電流的理論值 i；和交軸電流測(cè)量值、直軸電流的理論值i/和直軸電流測(cè)量值id，分別進(jìn)行PID運(yùn)算得到交軸電壓Uq和直軸電壓Udo將得到的Uq和Ud經(jīng)過SVPWM模塊運(yùn)算，得到三相逆變器即 IPM模塊的開關(guān)時(shí)間Ta、Tb、Tc從而控制IPM模塊控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。如圖3所示，本發(fā)明中的多定子弧形電機(jī)由四塊定子組成，其中定子A和C為第一組，它們之間相差電角度，定子B和D為第二組，它們之間也相差^Ji電角度，但是第一組定子和第二組定子之間相差業(yè)π + π /2電角度。如圖4所示，本發(fā)明多定子弧形電機(jī)的控制方法包括以下步驟TMS320F2812 DSP(1)配置DSP中的各個(gè)控制寄存器，初始化DSP中各個(gè)模塊。本系統(tǒng)初始化的主要
工作有(1. 1)系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定DSP工作頻率設(shè)定為150MHz ；(1. 2) I/O端口初始化設(shè)定相應(yīng)的GPI0/PWM端口為外設(shè)功能；(1. 3)A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)定為單次轉(zhuǎn)換模式；(1. 4)事件管理器初始化設(shè)定各通用定時(shí)器，設(shè)定CAP/QEP的工作模式；(1.5)中斷管理初始化；
(2)通過DSP的CAP/QEP模塊對(duì)電機(jī)的位置測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度Φ和旋轉(zhuǎn)速度ν ；本發(fā)明在計(jì)數(shù)器1的下溢中斷函數(shù)中對(duì)電機(jī)的位置進(jìn)行采集，中斷函數(shù)的中斷周期為Τ，通過兩次中斷函數(shù)位置信息的差值就可以得出在該時(shí)間段電機(jī)轉(zhuǎn)過的機(jī)械角Φ， 從而得到該段時(shí)間電機(jī)運(yùn)行的平均速度V。本發(fā)明中位置測(cè)量系統(tǒng)采用的是增量式光柵尺，為了使電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)的角度有一個(gè)零位基準(zhǔn)，在光柵尺上安裝有零位傳感器，通過DSP的捕獲單元CAP3對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的零位進(jìn)行捕捉，當(dāng)零位到來時(shí)傳感器輸出一個(gè)脈沖，DSP捕捉到脈沖后將相應(yīng)的位置脈沖計(jì)數(shù)器清零，設(shè)定此時(shí)為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的零位。(3)通過DSP的A/D模塊對(duì)兩組定子繞組中電流進(jìn)行采集和保持；本發(fā)明中ADC模塊需要轉(zhuǎn)換4路信號(hào)，即定子組1逆變器兩相電流ial，ibl，定子組 2逆變器兩相電流ia2，ib2由于逆變器輸出的電流有正有負(fù)，而DSP的輸入電壓在0 3V。為了滿足DSP 輸入電壓的要求，本發(fā)明在電流轉(zhuǎn)電壓電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電壓偏置電路，使逆變器電流在-IOA IOA的范圍時(shí)輸出電壓為0. 9V 2. IV。如圖5所示。(4)對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行CLARKE和PARK變換得到直軸電流Id和交軸電流Iq ；首先經(jīng)過電流采樣得到的兩相繞組電流ia、ib (包括定子組1逆變器兩相電流ial，
Lbl
和定子組2逆變器兩相電流
1a2' 1b2
)經(jīng)過CLARKE變化得到靜止坐標(biāo)系下的交軸電流I (
I—I
和
！ _1 _1 2 2
hCOS Gsin 6^-sin^COS^}β_
V3 _2/3_ 由ia+ib+ic = 0可以得到
= κ其次經(jīng)過PARK變換將靜止坐標(biāo)系下的交軸電流I α和I e變化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直軸電流Id和交軸電流I,:其中θ是電機(jī)的電角度，它和電機(jī)的機(jī)械角關(guān)系是θ =2ΡΦ，其中P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由于本發(fā)明以定子組1和動(dòng)子之間的旋轉(zhuǎn)角度為基準(zhǔn)，則定子組1和動(dòng)子之間的電角度即為θ，而定子組2和定子組1之間相差業(yè)π + JI /2，則定子組2和動(dòng)子之間的電角度為δ = θ +2k π(5)將計(jì)算得到的速度大小ν和給定的速度/，計(jì)算得到的直軸電流Id和給定的直軸電流ΙΛ計(jì)算得到的交軸電流I,和給定的交軸電流It;分別進(jìn)行PID計(jì)算；本發(fā)明中PID計(jì)算采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖6所示。通過調(diào)整模塊的相應(yīng)參數(shù)即可對(duì)定子組1和定子組2中的速度、直軸電流Id、交軸電流Itl分別進(jìn)行PID運(yùn)算。預(yù)飽和輸出變量由以下公式得到
7
Upresat (t) = Up (t) +Ui (t) +Ud (t)比例分量為up (t) = Kpe (t)飽和校正后的積分分量為
權(quán)利要求
1.一種用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法，其特征在于所述多定子弧形電機(jī)由四塊定子組成，其中定子A和C為第一組，它們之間相差業(yè)π電角度，定子B和D為第二組，它們之間也相差電角度，第一組定子和第二組定子之間相差業(yè)^!+ η/2電角度； 利用DSP的兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB分別產(chǎn)生兩路空間矢量控制SVPWM信號(hào)控制所述兩組定子，分別對(duì)兩組定子實(shí)現(xiàn)速度和電流的雙閉環(huán)控制，保證整臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)、高精度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)配置DSP中的各個(gè)控制寄存器，初始化DSP中各個(gè)模塊；(2)通過DSP的CAP/QEP對(duì)電機(jī)的位置測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度Φ和旋轉(zhuǎn)速度ν ；(3)通過DSP的A/D模塊對(duì)兩組定子繞組中電流進(jìn)行采集和保持；(4)對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行CLARKE和PARK變換得到直軸電流Id和交軸電流Iq； (5) 將計(jì)算得到的速度大小ν和給定的速度/，計(jì)算得到的直軸電流Id和給定的直軸電流I；,計(jì)算得到的交軸電流I,和給定的交軸電流I:分別進(jìn)行PID計(jì)算；(6)將PID計(jì)算后得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電流和直軸電流進(jìn)行逆PARK變化，得到靜止坐標(biāo)系下的交軸電流Ia和I0 ；(7)將得到的交軸電壓Ua和…經(jīng)過SVGEN計(jì)算得到SVPWM控制方式中三相驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)時(shí)間Ta、Tb、T。；(8)DSP根據(jù)開關(guān)時(shí)間Ta、Tb、Tc產(chǎn)生相應(yīng)的SVPWM信號(hào)控制智能功率模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法，其特征在于 所述步驟(1)具體實(shí)現(xiàn)如下(1. 1)系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定DSP工作頻率設(shè)定為150MHz ；(1. 2) I/O端口初始化設(shè)定相應(yīng)的GPI0/PWM端口為外設(shè)功能；(1. 3)A/D模塊設(shè)定為單次轉(zhuǎn)換模式；(1. 4)事件管理器初始化設(shè)定各通用定時(shí)器，設(shè)定CAP/QEP的工作模式； (1.5)中斷管理初始化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法，其特征在于 所述步驟(2)實(shí)現(xiàn)如下(2. 1)使能中斷CAPINT3，通過捕獲單元CAP3捕獲增量式光柵尺的零位，一旦發(fā)生中斷，對(duì)光柵尺的計(jì)數(shù)脈沖立即清零；(2. 2)位置測(cè)量系統(tǒng)采用的是RENISHA公司的RESM光柵尺，該光柵尺上有86400條刻痕，經(jīng)過電路細(xì)分后角分辨率可以達(dá)到0.05"。通過DSP的QEP電路對(duì)光柵尺的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角度Φ ；(2. 3)在計(jì)數(shù)器1的下溢中斷頻率為20k，通過兩次下溢中斷函數(shù)中位置的差值乘以中斷頻率即可得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度ν ；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法，其特征在于 所述步驟步驟(7)中SVGEN模塊計(jì)算得到SVPWM控制方式中三相驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)時(shí)間Ta、 Tb、Tc步驟如下(7. 1)判斷Ua和U0合成電壓Uout所在扇區(qū)；(7. 2)計(jì)算相鄰矢量的作用時(shí)間Tl、T2 ；(7. 3)計(jì)算每個(gè)扇區(qū)開關(guān)作用時(shí)間Ta、Tb、Tc，其中Ta、Tb為每個(gè)扇區(qū)相鄰矢量作用時(shí)間，Tc為零矢量作用時(shí)間。
全文摘要
一種用于大型望遠(yuǎn)鏡的多定子弧形電機(jī)控制方法，以TMS320F2812 DSP為核心控制單元，利用DSP的EVA和EVB兩個(gè)事件管理器模塊分別產(chǎn)生兩路SVPWM信號(hào)控制兩組定子。特征是執(zhí)行電機(jī)為多定子弧形電機(jī)，并且兩路SVPWM信號(hào)的初始相位不同。控制程序主要包括電機(jī)位置測(cè)量與速度運(yùn)算模塊，定子繞組電流采集和保持模塊，CLARKE和PARK變換模塊，電流環(huán)和速度環(huán)PID計(jì)算模塊，電壓空間矢量計(jì)算模塊。本發(fā)明可以在很大程度消除弧形電機(jī)由于邊端效應(yīng)造成的力矩波動(dòng)，滿足電機(jī)寬調(diào)速、高精度旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)H02P27/06GK102223132SQ20111016852
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者常九健, 馬文禮, 黃金龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所