[发明专利]一种直线电机运行速度及位移控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于永磁直线同步电机(PMLSM)控制技术，特别是一种利用虚拟仪器(Virtual Instrument)技术、通过个人计算机(PC)平台控制永磁直线同步电机(PMLSM)运动的技术。

背景技术

传统的永磁直线同步电机(PMLSM)伺服控制是采用高速数字信号处理器(DSP)作为控制系统核心，其控制系统的结构如图1所示；该控制系统通过DSP采集直线电机动子的位移和电机初级绕组的相电流，然后通过处理后产生的空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号、控制逆变器六个功率开关的开断状态，使逆变器输出三相控制电流，在电机初级表面形成行波磁场，最终使电机在此行波磁场的作用下进行运动。在实际控制系统中，为了用户操作的方便，采用个人计算机(PC)机作为上位机并通过RS232或GPIB与DSP进行通信、最后经DSP控制PMLSM的运动，从而达到控制直线电机运动的目的。

上述基于DSP的控制系统中，DSP是整个控制系统的核心，虽然也用到了PC机，但只是与PC进行通信和数据传输，并没有利用PC机处理器的高速处理能力。而DSP的运算(处理)速度是有一定限度的(如TI公司的TMS320F28x型DSP，其最大处理(运算)速度为150MIPS，即只有目前普通PC机处理(运算)速度的1/1000，很难对永磁直线同步电机(PMLSM)采用更复杂、更精密的控制处理方法(算法)，如模糊控制处理方法(算法)、自适应控制处理方法(算法)、神经网络控制处理方法(算法)等，因而存在电机运行的调速范围窄、速度低，位移控制精度差等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种直线电机运行速度及位移控制系统及其控制方法，以达到有效提高针对直线电机运行的调速范围、运行速度及位移控制精度等目的。

本发明的解决方案是利用虚拟仪器(Virtual Instrument)技术，在控制系统中采用多功能数据采集卡采集数据、并将其插入到PC机的PCI插槽中，与PC机融为一体、代替原控制系统中的高速数字信号处理器(DSP)作为整个控制系统的核心，即直接利用PC机中的CPU对数据采集卡采集到的数据进行处理，同时利用PC机成熟而可靠的操作系统，有效地提高系统的处理、控制能力，速度、位移控制的精度及系统的运行效率等，从而实现其发明目的。因此，本发明控制系统包括PC机，逆变器及对其输出电流采样的电流传感器，对直线电极动子位置信息采样的位移传感器，关键在于在逆变器、电流传感器和位移传感器与计算机之间还设有数据采集卡，该数据采集卡直接插于PC机的PCI插槽内与PC机组成(计算机)控制平台，数据采集卡的6路数字输出口与逆变器对应的功率开关接口进行连接，数据采集卡的模拟输入端口分别与电流传感器的两个输出端口连接以获取经电流传感器其转换后的电压信号，数据采集卡正交解码端口直接与位移传感器的输出端口连接以获取直线电机的位移。

所述的数据采集卡为基于PCI总线的多功能数据采集卡；如：PCI-6221或PCI-6289数据采集卡(美国国家仪器(NI)公司生产)。

上述控制系统对直线电机运行速度及位移的控制方法，包括：

A.初始化处理：在原有计算机平台操作系统基础上调用数据采集卡的驱动程序，对数据采集卡的数字输出、模拟输入和正交解码器进行初始化，然后将直线电机运行速度及位移控制系统的控制处理程序(方法)置入PC机的内存中，以备中央处理器(CPU)调用；

B.直线电机启动：启动时，由计算机控制平台发出启动(控制)信号，使逆变器输出三相相位差为120度的正弦电流，电机在行波磁场的作用下以设定的速度和方向做开环运动，使电机运行到零点位置或设定的位置；

C.直线电机闭环运行：当直线电机(动子)到达零点位置或设定位置后，位移传感器和电流传感器启动(工作)，电流传感器将采集到的电流信号转换成电压信号、位移传感器采集电机的位移信号，同时经数据采集卡输入PC机的中央处理器，获取电机三相绕组的电流和电机动子当前的位移、速度，并与设定的目标位移、速度进行比较，并根据其结果向逆变器发出调整信号，以调节直线电机的运行状态(速度、加速度、位移)，实现对直线电机的闭环控制、维持其正常运动；

D.直线电机的制动：当用户发出紧急停止指令时，计算机控制平台经数据采集卡和逆变器向直线电机发出制动控制信号，直线电机停止运行；而当位移传感器采集到的位移值与设定的位移值(目标位移)相等时，计算机控制平台经数据采集卡和逆变器向直线电机发出制动信号，电机停止运动。