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1、http:/基于SOPC的直线电机伺服控制系统的研究与设计谢慧波广东工业大学自动化学院， 广州（510006）E-mail：摘 要：直线电机作为一种利用电能直接驱动机械负载作直线运动的电子机械装置，它所具有的突出优点已使其越来越受到人们的重视。本文深入研究了永磁直线无刷直流电动机的位移和速度控制方法，主要以Altera FPGA及其内嵌的NiosII软核处理器为元件来开发永磁直线无刷直流电动机伺服控制系统的集成芯片。首先利用函数发生器产生不同频率的脉冲来精确模拟主轴运动时的给定速度，然后在PC机上下达坐标指令，由NiosII软核处理器对所定义的轨道运算处理后，计算出直线电机在一个横移内所需要的
2、位移命令。得到位移命令的轨迹规划后，通过 PID控制器的位置伺服控制运算得出相应输出的脉冲宽度调制(PWM)命令驱动电机，再经方波编码脉冲处理器(QEP)硬件电路对霍尔位置传感器反馈信息的运算，可以将直线电机比较精确地控制到需要的位置。该系统主要应用于大型纺织机械上。关键词：永磁直线无刷直流电动机 SOPC NiosII软核处理器 控制算法 PWM 中图分类号：TP2731. 引 言永磁直线无刷直流电动机(Linear permanent magnet DC motor，缩写为：LPMBDCM) 是一种新型的直线电机,与其他类型的直线电机相比具有结构简单、单位出力大、调速性能好、定位精度高、散
3、热效果好及易于控制等优点，它所具有的突出优势，已越来越受到人们的重视1、2。直线电机可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是，“运动控制”。运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控
4、制3、4、9。本文基于SOPC的直线电机伺服控制系统主要应用在纺织机械上。纺织机械横移机构伺服控制系统作为开发高档纺织机械的核心技术，它已成为我国急需攻克的难关。开发和研制出技术含量高、生产效率高、可靠性高的高档智能化纺织机械，核心技术是需要纺织机械横移精度高，因为高精度的横移机构在回复运动过程中，可以保证织针回摆过相应的导纱针用一个横移（时间）完成。在实际应用中，通过伺服系统可以直观、快速、准确地设计经编针织物和花型，大大提高了经编针织物的设计效率，缩短了产品的开发周期，提高了设计质量，从而提高了产品在市场中的竞争能力10。2. 直线电机伺服控制系统的总体控制方案自动控制系统中，为了获取控制
5、信号，要将被控制量y与给定值r相比较，以构成误差信号e=r-y，直接利用误差e进行控制，使系统趋向减小误差，以至使误差为零，从而达到使被控制量y趋于给定值r的目的6。在此处的电机控制中也采用这种思想：在点位控制中，将给定位移作为给定值r，而将检测到的位移量作为被控制量y，在控制过程中不停地检测y值并与给定值：相比较，将偏差e经过一定的变换后得到控制电压并输出使电机运动， 这样只要有偏差就会有输出变化，电机就会运动，直到偏差达到允许范围为止，这时也达到了我们的控制目的；在高频运动时，可以首先给电机加上一定频率的成正弦变化的电压，使电机运动。通过上面的讨论我们知道，只要控制正弦电压的电压幅值，就可
6、以控制电机的速度，这就是电机控制的基本思想。控制系统由DE2开发板、PC机、位移检测模块、隔离模块以及功率驱动电路板组成。其中控制器主要以Altera FPGA及其内嵌的NiosII软核处理器为元件来开发永磁式直线直流电动机伺服控制系统的集成芯片，同时由于DE2开发板的输出不足以驱动电机运动，因此还必须采用功率放大器来驱动电机，最后为了将控制器与驱动模块隔离以提高安全性、提高系统的抗干扰能力以及实现电机控制电压的双极性，在控制器与驱动模块之间加入了隔离电路。位移检测装置采用霍尔传感器对直线电机进行检测。整个控制系统组成如下图2-1所示，其中箭头的方向为控制电流或信号的方向。电源直线电机驱动DE
7、2开发板PC机位置检测系统主轴信号隔离电路图2-1 控制系统总体结构图3. 建立直线电机的数学模型为了分析研究和综合设计符合性能指标的自动控制系统，首先要建立系统的数学模型或状态方程，有了系统的数学模型，就可以综合各种合适的控制算法，组成理想的控制系统。为了建立通用的数学模型,首先做出如下假设:1) 假设直线电机的磁路是线性的,不考虑饱和效应；2) 不考虑直线电机的磁槽效应及齿吸力。在上述假设的基础上,考虑到直线电机的动子磁阻不随位置变化,LPMBDCM 的电压方程矩阵形式可以表达如下：（3.1）式中: Ra、Rb、Rc为三相绕组的电阻()；Laa、Lbb、Lcc为三相绕组的自感(H)；Lab
8、、Lac、Lba、Lbc、Lca、Lcb为任意绕组的互感( H)；ua、ub和uc为相电压(V)；ia、ib和ic 为相电流(A)；ea、eb和ec为相绕组切割磁场产生的反电动势(V)。LPMBDCM的电磁推力方程可以表示如下： (3.2)式中：vr 为动子速度(m/ s) 。LPMBDCM的运动方程可以表示如下： (3.3)式中: Fm为负载阻力(N)；B为粘滞摩擦系数(N/(mms - 1)；m为动子及所带负载的质量(kg)。LPMBDCM的位移方程可以表示如下： (3.4)式中：y为动子的线位移(mm)。4. 直线电机的控制算法研究为了达到对直线电机位置的精确控制，我们在传统的PID基础
9、上，对积分作用进行了改进。传统的PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致执行机构达到极限位置Xmax，若控制器输出uk继续增大，此时控制器的输出控制量超过了正常运行范围而进入了饱和区。一旦系统出现反向偏差，u(k)逐渐从饱和区退出。进入饱和区愈深则退出饱和区所需时间越长。在这段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随反差反向立即做出相应的改变，这时系统就象失去控制一样，造成控制性能恶化7、8。鉴于传统PID控制器的输出时积分作用的缺陷，我们采用了防止积分饱和的方法。该方法的思路是：在计算u(k)时，首先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否已超出限制范围。若u(k-1)umax，
10、则只累加负偏差；若u(k-1)umax，则只累加正偏差。这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。根据分析，可以给出实现上述算法的程序框图，如图4-1所示:是是是否、否否是计算偏差量ekuk-1=umax?uk-1=umin?计算积分项开始计算控制量uk返 回ek0?图4-1 算法的程序流程图5. 直线电机伺服控制系统的软件设计5.1 串口通信该直线电机伺服控制系统的位置指令是通过PC机发送，在NiosII软核处理器内以软件设计的方式实现PC机与DE2开发板之间的串口通信，可以在PC机串口通信界面轻松地输入和修改位置指令。5.2 位置检测位置检测不仅用于换向控制，而且还用于产生速度控制量。外加
11、的位置检测电路只能完成换向控制，本部分的软件设计可以完成产生速度控制量。每个周期内有6次换相，电机的动子每走过一块磁铁都有一次换相(每块磁铁的长度15mm)，这样测得两次换相的时间间隔为t，就可以根据式(5.1)计算出两次换相间隔期间的平均角速度。 (5.1)两次换相的时间间隔t可以通过捕捉中断发生时读出定时器2的值来获得，定时器2采用连续增计数的方式。6. 直线电机伺服控制系统的硬件设计6.1 直线电机伺服控制系统的集成芯片设计结构设计直线电机伺服控制系统的集成芯片(SOPC)，该SOPC是在FPGA芯片内通过软件编程的方式实现，完成对直线电机的位置控制。其主要由以下四个部分组成：第一，参考
12、速度模块的构建，主要完成对参考速度的计算，从而对直线电机的运动轨迹进行预测；第二，PI模块的构建，主要完成直线电机在误差范围内按预测的轨迹运动，其内部结构如图6-1所示；第三，脉冲宽度调制(PWM)模块的构建，主要完成对直线电机速度的调制，其内部结构如图6-2所示。本文采用单极性PWM控制方式，即受控的两个对角开关管中的上桥臂开关管采用定频PWM控制，另一个开关管常开。第四，方波编码脉冲处理器(QEP)硬件电路的构建, 主要用来将霍尔传感器的信号转换成脉冲信号。整个控制器全部由数字电路实现。图6-1 PI模块的内部结构图6-2 脉冲宽度调制(PWM)模块6.2 外围硬件电路的设计 虽然DE2开
13、发板功能强大，但不能完成该伺服控制系统的所有功能，所以一些外围电路是必要的。我们设计的外围电路主要包括两个部分：电机驱动电路板的设计和位置检测电路的设计。（1）电机驱动电路板的设计我们所用的是三相无刷直流直线永磁电动机，由于驱动电机的是大电流，平均电流值大约6安，DE2开发板的输出电压为3.3V，所以不能直接驱动。我们采用三角形连接全桥驱动方式。选择光耦6n137，功率管选择MOS管irf640设计电机驱动电路板。（2）位置检测电路的设计位置检测不但用于换向控制，而且还用于产生速度控制量。通过三个3053型号的霍尔传感器得到位置信号，每个霍尔传感器都会产生1800脉宽的输出信号。三个霍尔传感器
14、的输出信号互差1200相位差，这样它们在每个周期中共有6个上升或下降沿，正好对应着6个换相时刻。需要说明的是，该部分只是位置检测系统的外围电路，只能完成对位置信号的换相控制，还要通过软件编程与伺服控制系统的集成芯片(SOPC)相结合。7. 仿真结果和实物调试利用QuratusII强大的仿真功能，先将整个系统的各部分分开调试，对于一些不符合我们要求的部分，通过反复的修改直到仿真调试结果正确为止。下面是我们整个伺服控制系统的一些重要部分的仿真结果：1)图7-1是PI Controler仿真波形，用来完成PI Controler，其中ek和ek-1用来作为经过kp、ki调节后加减的控制端口，完成有符
15、号的加减运算。 图7-1 PI Controler仿真波形2)图7-2是choose模块的仿真波形，在该模块中我们通过不同的地址对实际的参数不停的改变，最终确定我们想要的最合适的参数。图7-2 choose模块的仿真波形3)图7-3是霍尔换相控制模块的仿真波形，该模块通过霍尔传感器对磁场的变化，产生相应的控制信号。 图7-3 霍尔换相控制模块的仿真波形4）图7-4是实验装置图，由直线电机、固定基座、测力计、直尺、控制系统以及PC机组成。图7-4 实验装置图8. 结语本设计是基于SOPC的直线电机伺服控制系统，应用前景非常广阔，可以用于各种高档大型纺织机械上。由于SOPC技术有着巨大的灵活性，所
16、以构建这样的系统，在系统的可扩展性、可维护性、可移植性等方面，都有着无可比拟的优势。同时，基于Nios II进行嵌入式系统设计还能大大缩短硬件开发周期，提高设计的可靠性5。SOPC Builder提供了丰富的IP模块，使得软核可定制的功能非常强大。在此系统的基础上，还可以很方便地利用SOPC的灵活性和可扩展性，配合Nios II软核的强大功能加以扩展和升级，移植到更多的实际应用中去。参考文献：1郑伟.基于微机的多梳栉经编机的研究D.福州:学位论文,2003.2叶云岳.直线电机原理与应用M.北京:机械工业出版社，2000.3山田一.工业用直线电动机M.北京:北京新时代出版社，1986.4Koma
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20、ge of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan (430070)2 College of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou(510006)AbstractThe linear permanent magnet DC motor, which directly generate linear movement with electric energy and drive loads to implement linear movement, has a
21、roused more and more attention because of its outstanding advantages. In this paper，We make a deep research on the control method of the displacement and speed of the linear permanent magnet DC motor. In the design, FPGA and NiosII embedded of Altera are the main components which are used to develop
22、 the servo control system of the liner permanent magnet DC motor. Firstly, function generator is used to generate all kinds of different frequencies pulses which exactly simulate the given speed of critical axis when it works. Then PC gives the position command, the NiosII deals with the trace which
23、 we expected and then gives an order which is needed by the linear motor during one shog. According to the order, the position servo control unit of PID compute output proper PWM command to drive the motor circuit board, then QPE is used to compute the feedback signal of hall sensor. At last, the linear motor will get the destination exactly. Keywords: Linear permanent magnet DC motor；SOPC；NiosII CPU；Control strategy；PWM作者简介： 谢慧波，女，1984年生，硕士研究生，主要研究方向为：嵌入式系统设计、虚拟仪器。 - 8 -