制造業(yè)中需要的線形驅(qū)動力，傳統(tǒng)的方法是用旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠的方式提供。實踐證明，在許多高精密、高速度場合，這種驅(qū)動已經(jīng)顯露出不足。在這種情況下直線電機應(yīng)運而生。直線電機直接產(chǎn)生直線運動，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，動力是在氣隙磁場中直接產(chǎn)生的，可獲得比傳統(tǒng)驅(qū)動機構(gòu)高幾倍的定位精度和快速響應(yīng)速度。

本文是在我系研制的交流永磁同步直線電機基礎(chǔ)上進行基于矢量變換控制的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。

1. 交流永磁同步直線電機工作原理

　　直線電機的工作原理上相當于沿徑向展開后的旋轉(zhuǎn)電機。交流永磁同步直線電機通入三相交流電流后，會在氣隙中產(chǎn)生磁場，若不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向呈正弦分布。行波磁場與次級相互作用產(chǎn)生電磁推力，使初級和次級產(chǎn)生相對運動。圖1所示為開發(fā)設(shè)計的交流永磁同步直線電機。
 

2. 永磁同步直線電機矢量控制原理

　　由于矢量控制動態(tài)響應(yīng)快，相比較標量控制，在很快的時間內(nèi)就能達到穩(wěn)態(tài)運行。經(jīng)過30多年工業(yè)實踐的考驗、改進與提高，目前已經(jīng)達到成熟階段[3]，成為交流伺服電機控制的首選方法。因此，直線電機采用了交流矢量控制驅(qū)動的方法。
 

　　直線電機初級的三相電壓（U、V、W相）構(gòu)成了三相初級坐標系（a，b，c軸系），其中的三相繞組相角相差120?，即在水平方向上互差1/3極距。參照旋轉(zhuǎn)電機矢量變換理論，設(shè)定兩相初級坐標系（α-β軸系），由三相初級坐標系到直角坐標系轉(zhuǎn)換稱為Clark變換，見式（1）。

　　從靜止坐標系到旋轉(zhuǎn)坐標系的變換稱為Park變換，見式（2）。反之稱Park逆變換。

　　θ是d軸與 軸的夾角。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機的Park變換理論和兩電機結(jié)構(gòu)比較。由于電機運動部分的不同，故直線電機動子相當于旋轉(zhuǎn)電機定子，直線電機定子相當于旋轉(zhuǎn)電機動子。所以在旋轉(zhuǎn)電機中旋轉(zhuǎn)坐標系固定在動子上，旋轉(zhuǎn)坐標系隨著電機轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)。在直線電機中，由運動相對性原理，動子的直線運動，可理解為定子相對于動子作反方向直線運動，因此“旋轉(zhuǎn)坐標系”（實際上此坐標系是直線運動的，應(yīng)稱之為直線運動坐標系）則固定在定子上，和定子一起相對于動子作直線運動，如圖3所示。此時，直線電機動子向右作直線運動，其定子則相對于動子向左直線運動，固定在定子上的坐標系也和定子一起相對于動子相對于動子向左運動。動子內(nèi)部的行波磁場相對于動子本身是向左運動，這樣站在固定在定子上的坐標系上觀察此同步電機的行波磁場則是靜止的。于是讓d軸位于次級永磁體N極軸線上，q軸則超前d軸90?，也就是極距的1/4。θ由直線電機運動時動子所處的位置決定。

3．永磁同步直線電機控制系統(tǒng)設(shè)計

　　根據(jù)直線電機工作原理，采用矢量變換設(shè)計其控制驅(qū)動系統(tǒng)。

　　控制器采用DSP處理器，選用TI公司的TMS320F2812 DSP。它是TI公司最新推出的32位定點高速數(shù)字信號處理器，150MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短至6.67ns，內(nèi)置12位的AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為80ns[4]。功率驅(qū)動部分采用IPM模塊， PWM頻率最高可達20K。
 

　　永磁同步直線電機驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示

4.軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)軟件包括軟硬件初始化程序、主程序、初始定位子程序、控制過程顯示程序和中斷服務(wù)子程序5個部分。系統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行初始化程序，實現(xiàn)對DSP內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測；然后執(zhí)行主程序，開啟定時中斷、外部保護中斷及初始定位子程序；獲得動子準確位置信息后，進入運行狀態(tài)，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序[5]。 系統(tǒng)的主要功能，包括電流大小的計算、速度位置信息和矢量變換，由中斷服務(wù)子程序來完成。根據(jù)系統(tǒng)運行原理設(shè)計其軟件結(jié)構(gòu)。圖5為系統(tǒng)運行程序圖：

　　系統(tǒng)中斷子程序圖如圖4所示：
 

5結(jié)論

　　本文設(shè)計的算法程序已經(jīng)初步調(diào)試成功，能夠?qū)崿F(xiàn)基本運行，證明軟硬件設(shè)計的正確性。圖5所示為部分調(diào)試結(jié)果

　　由于直線電機端部效應(yīng)及外部載荷直接加載等特點，使得對直線電機控制系統(tǒng)穩(wěn)定提出了較高要求。為提高其控制的魯棒性，其算法還有待于繼續(xù)改進。必須采取合適的控制算法和控制策略，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高。因此直線電機控制理論有待于進一步深入的探討與研究。

　　本文作者的創(chuàng)新點：分析了永磁同步直線電機與旋轉(zhuǎn)電機的矢量變換理論的區(qū)別之處，并在此基礎(chǔ)上基于TMS320F2812 DSP實現(xiàn)其控制系統(tǒng)。