一种圆筒型直线振荡电机的高频控制系统的制作方法

1.本发明涉及电机的控制领域，具体的是一种圆筒型直线振荡电机的高频控制系统。


背景技术：

2.近年来，工业技术已经进入以高速、高精度和高可靠性为目标的发展新阶段。在高性能调速领域，直流调速控制系统逐渐被交流伺服控制系统所取代。永磁直线同步电机无需中间传动装置便能直接产生直线运动，可有效取代传统的“旋转电机 滚珠丝杠”的传动形式，在交流调速系统中占据了重要地位。圆筒型直线振荡电机作为一种新型的永磁直线同步电机，采用直接驱动的方式产生往复直线振荡运动，具有刚性高，推力大以及响应速度快等优点。当作为发电状态运行时，能有效应用于海洋能发电，特别是振荡浮子波浪能发电装置，以及斯特林发电装置等场合。
3.在诸多工业应用场合中，由于系统模型参数的摄动，以及外部负载在内的各种干扰等因素的存在，极大降低了控制系统的动态性能、稳态精度和鲁棒性。


技术实现要素：

4.为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种圆筒型直线振荡电机的高频控制系统。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种圆筒型直线振荡电机的高频控制系统，包括上位机，工控机、端子板、驱动器和圆筒型直线振荡电机，所述上位机用于调试图形化用户界面servostudio软件和基于visual basic.net语言开发上位机界面；
7.所述上位机和工控机相连，工控机和端子板相连，驱动器和工控机、端子板、圆筒型直线振荡电机相连。
8.进一步地，所述工控机包括控制板卡，控制板卡上开有控制板卡接口，端子板上包括端子板接口、一号轴端口和端子板供电端口，驱动器包括rs232端口、控制器接口、电机反馈接口、电机相线接口和驱动器供电端口。
9.进一步地，所述工控机通过pci插槽安装控制板卡，控制板卡通过控制板卡接口与端子板相连，端子板通过端子板接口与控制板卡相连，选择端子板一号轴端口与驱动器的控制器接口相连，从端子板供电端口接入24v直流电源，保证端子板的正常工作。
10.进一步地，所述圆筒型直线振荡电机包括定子和动子，定子由定子铁心和绕组线圈组成，定子铁心的端盖上加装了编码器读头，动子由动子铁心以及表贴在动子铁心表面呈环形状的永磁体组成，动子铁心的外侧轴向粘贴有磁栅尺。
11.进一步地，所述驱动器通过rs232端口与工控机的usb接口进行通讯，通过控制器接口与端子板相连，圆筒型直线振荡电机的编码器读头信号输入电机反馈接口，用于获取动子位置，电机相线接口与圆筒型直线振荡电机的绕组线圈相连，从而驱动电机轴向运动，
从驱动器供电端口接入交流电源，保证驱动器的正常运行。
12.进一步地，基于servostudio软件配置所述驱动器的基本配置流程如下所示：
13.一、在“连接”选项卡界面，点击“搜索&连接”，直至通讯连接成功后显示对应的com端口、波特率、驱动器的物理连接地址，以及“驱动器的信息”和“额定功率”选项卡界面里的信息；
14.二、
15.1、对于首次运行的新电机，进入“电机”选项卡界面里的“新电机”按钮输入电机参数，设置反馈数据、温度保护设置以及验证参数；
16.2、对于已有参数文件的电机，在“备份和恢复”选项卡界面，点击“恢复”，并选择文件路径，等待加载完成后，点击“电机”选项卡界面里的“从驱动器加载”按钮，将之前的设置参数显示出来；
17.三、进入“反馈”选项卡界面，点击“寻找相位角”按钮，直至完成初始寻相过程后对“运动单位”、“限定”和“电流折返”选项卡界面里的相关参数进行设置；
18.四、设置包括“电流环”，“速度环”和“位置环”选项卡在内的三闭环参数，并将设置好的参数保存并在“备份和恢复”选项卡界面，点击“备份”，并选择文件路径，完成参数文件的保存，以待下次调试使用。
19.进一步地，所述步骤三中，为了实现与控制板卡之间的交互，将“数字io”选项卡界面里的input1和input2分别设置为“1
‑
remote enable”和“2
‑
clear faults”，从而通过上位机界面使能驱动器以及清除故障信息，分别对应基于vb.net语言开发上位机界面右下角绿色的“伺服关闭”和“清除状态”按钮，“反馈”选项卡的运动模式设置为“4
‑
位置齿轮模式”，驱动器的电流环和位置环(hd位置环)起作用，hd位置环通过比较位置给定信号和位置反馈信号，得到位置跟踪偏差，并输出电流给定信号，电流环将其与电流反馈信号作比较，从而产生驱动信号。
20.进一步地，所述步骤三中，给定位置反馈信号如下所示：
21.s(t)＝0.1sin(2π
×
50t)
22.其中，s(t)为位置给定曲线，π为圆周率，sin(
·
)为正弦函数；
23.在基于vb.net语言开发上位机界面，实验用轴选1，选择波形为“正弦波”，正弦波的频率和单边振幅分别设置为50hz和0.1mm，指令和反馈颜色分别选择为“红色”和“绿色”，曲线时常设置为0.1s，在基于vb.net语言开发上位机界面的下方和右下角分别显示曲线图像以及实时的位置信息。
24.本发明的有益效果：
25.1.本发明基于驱动器和控制板卡，设计的圆筒型直线振荡电机高频控制系统，能实现高频正弦波位置信号的精确快速跟踪；
26.2.本发明基于visual basic.net语言开发上位机界面，能实现发送位置给定信号、接收位置反馈信号以及位置信号实时显示的功能；
27.3.本发明的驱动器接收控制板卡发送的位置给定信号，并通过hd位置环和电流环产生驱动信号，并作用于圆筒型直线振荡电机，本发明具有良好的动态性能和稳态精度，并且控制系统具有很强的鲁棒性。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
29.图1是本发明直线振荡电机的高频控制系统示意图；
30.图2是本发明基于servostudio软件配置驱动器的流程示意图；
31.图3是本发明高频响应结果示意图；
32.附图标记如下：
33.上位机1、工控机2、端子板3、驱动器4、圆筒型直线振荡电机5、控制板卡2a、控制板卡接口2a1、端子板接口3a、端子板一号轴端口3b、端子板供电端口3c、rs232端口4a、控制器接口4b、电机反馈接口4c、电机相线接口4d、驱动器供电端口4e、定子铁心5a、绕组线圈5b、动子铁心5c、永磁体5d。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.一种圆筒型直线振荡电机的高频控制系统，如图1所示，包括上位机1，工控机2、端子板3、驱动器4和圆筒型直线振荡电机5。
36.本发明提供的实施例的方法步骤如下：
37.一、基于驱动器4和控制板卡2a，建立圆筒型直线振荡电机5的高频控制系统；
38.二、调试图形化用户界面servostudio软件，使得驱动器4可以识别圆筒型直线振荡电机5的参数，并完成基本配置；
39.三、通过端子板3连接驱动器4和控制板卡2a，完成控制信号、驱动信号和状态信息的交互；
40.四、基于visual basic.net语言开发上位机界面，用于发送位置给定信号、接收位置反馈信号以及位置信号的实时显示。
41.本发明中，上位机1和工控机2相连，上位机1用于调试图形化用户界面servostudio软件和基于visual basic.net(简称vb.net)语言开发上位机界面。工控机2包括控制板卡2a，控制板卡2a上开有控制板卡接口2a1。
42.工控机2和端子板3相连，端子板3上包括端子板接口3a、一号轴端口3b和端子板供电端口3c。
43.驱动器4和工控机2、端子板3、圆筒型直线振荡电机5相连，驱动器4包括rs232端口4a、控制器接口4b、电机反馈接口4c、电机相线接口4d和驱动器供电端口4e。
44.如图1所示，工控机2通过pci插槽安装控制板卡2a，控制板卡2a通过控制板卡接口2a1与端子板3相连。端子板3通过端子板接口3a与控制板卡2a相连，选择端子板一号轴端口3b与驱动器4的控制器接口4b相连，从端子板供电端口3c接入24v直流电源，保证端子板3的正常工作。
45.如图1所示，驱动器4通过rs232端口4a与工控机2的usb接口进行通讯，通过控制器接口4b与端子板3相连，圆筒型直线振荡电机5的编码器读头信号输入电机反馈接口4c，用于获取动子位置。电机相线接口4d与圆筒型直线振荡电机5的绕组线圈5b相连，从而驱动电机轴向运动。从驱动器供电端口4e接入交流电源，保证驱动器的正常运行。
46.如图1所示，圆筒型直线振荡电机5包括定子和动子，定子由定子铁心5a和绕组线圈5b组成，定子铁心5a的端盖上加装了编码器读头，动子由动子铁心5c以及表贴在动子铁心5c表面呈环形状的永磁体5d组成，动子铁心5c的外侧轴向粘贴有磁栅尺。交替按n极和s极分布的永磁体产生励磁磁场，当电枢绕组通以三相对称的正弦交流电后，会形成呈正弦波分布的气隙行波磁场，励磁磁场与行波磁场相互作用便会产生电磁推力，从而驱动电机的动子沿轴向做直线运动。
47.如图2所示，基于servostudio软件配置驱动器4的基本配置流程如下所示：
48.首先，在“连接”选项卡界面，点击“搜索&连接”，直至通讯连接成功后，会显示对应的com端口、波特率、驱动器的物理连接地址，以及“驱动器的信息”和“额定功率”选项卡界面里的信息。
49.其次，对于首次运行的新电机，需要进入“电机”选项卡界面里的“新电机”按钮输入电机参数，设置反馈数据、温度保护设置以及验证参数。对于已有参数文件的电机，需在“备份和恢复”选项卡界面，点击“恢复”，并选择文件路径，等待加载完成后，点击“电机”选项卡界面里的“从驱动器加载”按钮，将之前的设置参数显示出来。
50.然后，进入“反馈”选项卡界面，点击“寻找相位角”按钮，直至完成初始寻相过程。随后，对“运动单位”、“限定”和“电流折返”选项卡界面里的相关参数进行设置。
51.为了实现与控制板卡之间的交互，需要将“数字io”选项卡界面里的input1和input2分别设置为“1
‑
remote enable”和“2
‑
clearfaults”，从而通过上位机界面使能驱动器以及清除故障信息，分别对应基于vb.net语言开发上位机界面右下角绿色的“伺服关闭”和“清除状态”按钮。相应地，“反馈”选项卡的运动模式设置为“4
‑
位置齿轮模式”，此时，驱动器4的电流环和位置环(hd位置环)起作用，hd位置环通过比较位置给定信号和位置反馈信号，得到位置跟踪偏差，并输出电流给定信号，电流环将其与电流反馈信号作比较，从而产生驱动信号。
52.最后，设置包括“电流环”，“速度环”和“位置环”选项卡在内的三闭环参数，并将设置好的参数保存并在“备份和恢复”选项卡界面，点击“备份”，并选择文件路径，完成参数文件的保存，以待下次调试使用。
53.如图3所示，给定位置信号如下所示：
54.s(t)＝0.1sin(2π
×
50t)
ꢀꢀꢀ
(1)
55.其中，s(t)为位置给定曲线，π为圆周率，sin(
·
)为正弦函数。
56.在基于vb.net语言开发上位机界面，实验用轴选1，选择波形为“正弦波”，正弦波的频率和单边振幅分别设置为50hz和0.1mm，指令和反馈颜色分别选择为“红色”和“绿色”，曲线时常设置为0.1s，在基于vb.net语言开发上位机界面的下方和右下角分别显示曲线图像以及实时的位置信息。由响应结果可知，圆筒型直线振荡电机闭环系统具有良好的动态性能和稳态精度，并且由于电机具有一定的惯量，其位置反馈曲线比位置给定曲线更为光滑。然而，这也不可避免地引入了一定的时滞。
57.本实施方案中，选用控制板卡的型号为gts－400－pv－vb(4轴可控)，端子板的型号为gt2－400－acc2－vb－v－a(4轴可控)，驱动器的型号为cdhd－020aap1，编码器读头的分辨率为0.5μm，圆筒型直线振荡电机的基本参数如表1所示，电流环和速度环的参数设置如表2所示，hd位置环的参数如表3所示。
58.表1圆筒型直线振荡电机的基本参数
[0059][0060]
表2电流环和速度环的参数设置
[0061][0062]
表3 hd位置环的参数设置
[0063][0064]
根据响应结果可知，位置反馈曲线和位置给定曲线的变化范围均为－0.1mm～0.1mm，与设定的单边振幅0.1mm一致。由于设定的频率为50hz，那么正弦波的周期为0.02s，而曲线时长设置为0.1s，因此位置反馈曲线和位置给定曲线均有五个正弦波。当位置给定为0mm(即原点)时，电机位置反馈为0.001mm，其误差仅为1μm。由于控制圆筒型直线振荡电机做高频运动，需要较大的电机出力，因此在本实例中设定加速度和减速度均为5000mm/s2。增大全局增益(knlusergain)能提高系统的刚性，降低其数值会减小刚性，且其数值大小会成比例影响其他hd位置环的参数，因为将其设置为1。积分增益(knli)用于补偿稳态误差，本实例中设置其大小为10。微分积分增益(knliv)是一个附加的反馈参数，其作用相当于一个柔性的比例增益，在本实例中设置其大小为3。比例增益(knlp)起到镇定控制系统的作用，在本实例中设置其大小为6。微分增益(knld)等同于pid中的微分，代表变化率，系统跟踪性能与其大小成正比，为此本实例中将其设置为50。需要说明的是，由于表1给出的圆筒型直线振荡电机的基本参数在实际测量和运行过程中会发生变化，本实例给出的控制器参数并非适用于运行工况的最佳参数，但是足以满足高速和高精度的控制需求，且系统具有良好的控制性能。
[0065]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。