电机控制技术论文集

电机控制技术论文集

电机应用于消费电子、住宅、工业、通用、交通和农业等领域。

下面小编给大家分享一些电机控制技术论文集，大家快来跟小编一起

欣赏吧。

电机控制技术论文篇一

基于PMAC的电机控制技术研究

【摘要】随着科学技术的不断发展，工业水平的不断提升，在世

界范围内的先进控制技术得到了很大的提升。在以往的电机控制中，

由于控制器的控制能力有限，使得被控对象在运行时有很大的误差产

生，而以PMAC为核心控制器的电机运行设备具有更高的控制能力。

本文在对PMAC运动控制器及直线电机原理进行概述的基础上，重点

研究PMAC控制器在直线电机PID调节中的应用，并以具体的实验进

行验证。

【关键词】PMAC，PID，直线电机

1.引言

当今社会，自动控制技术和微型计算机作为高科技时代的领导者，

更加严格要求各种自动控制系统的定位精准度，由此，在传统旋转电

机的基础上配备一套变换机构而构成的直线运动驱动装置，已难以满

足当代控制系统愈发精准的要求，因此直线电机的研究、发展与应用

工作成为世界各国当今的发展方向，促使直线电机具有越来越开扩的

应用领域。

控制器简介

上世纪九十年代，美国Delta Tau公司研发了一种开放式多轴运动

控制器，命名为PMAC(Programmable Multi-axis Contro-ller)。

PMAC是具有高性能的伺服控制器，其核心为DSP，它可借助高级语

言灵活的控制最多八轴同时运行，还能提供内务处理、运动控制、离

散开展、同主机交互等功能。

PMAC是一台完整的可以任务识别的计算机，能自动进行任务等

级识别，将高优先级的任务比低优先级的任务先进行操作。其执行速

度、分辨率等指标均高于普通的控制器。伺服控制分为PID加Notch

和速度、加速度前馈控制。可与MACRO现场总线的高速环网相连接，

直接灵活的对生产线实施控制。

相对于其他运动控制器，PMAC的开放性最为突出。其内部寄存

器可允许用户按照自身需要来使用。PMAC的A/D和I/O和内部寄存

器都是统一编址，A/D和I/O的用法与PMAC其它内存用法相同，具

有很强的便利性。内部寄存器和A/D、I/O的地址可以使用PMAC的

默认值，用户也可以根据需要自己定义。

3.直线电机的结构与基本工作原理

3.1 直线电机的结构

直线电机是一种传动装置，其工作模式是将电能转换成直线运动

机械能，转换过程中不需要中间转换机构。直线电机的结构如图1所

示。

1初级2次级行波磁场

3.2 直线电机基本工作原理

将三相对称正弦电流通入直线电机的三相绕组之后，会有气隙磁

场产生。若忽略因铁心两端断开而产生的纵向边端效应，气隙磁场的

分布与旋转电机无太大差别，因此可认为磁场是沿展开的直线方向呈

正弦形分布。三相电流会随着时间发生改变，气隙磁场将按A、B、C

相序沿直线移动。此原理接近于旋转电机，但略有区别，气隙磁场是

平移的，旋转电机是旋转的，所以气隙磁场又称作行波磁场。

不难看出气隙磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上运动

的线速度相同，为Vs，叫做同步速度(m/s)，而且Vs=2f。

笔者对行波磁场对次级的作用也进行了分析。假设次级为栅形次

级，次级导条受到行波磁场的切割，产生感应电动势同时产生电流。

次级导条中的电流与行波磁场相互作用从而产生电磁推力。受到推力

之后，若初级是稳定的，次级就顺着行波磁场运动的方向呈直线型运

动。若次级以v的速度运动，移动的差率(简称移差率)用s表示，于是

有：

+PC下的直线电机PID控制

直线电机的负载连接到直线电机的定子，伺服系统的性能与负载

的变化和外部影响有很大的关联。所以要利用闭环的形式对直线电机

进行准确度高的伺服控制。

PMAC展示的是PID+前馈控制的控制算法，算法流程如图2所

示。

DACout(n)表示伺服周期n中16位输出命令(-32768到+32767)，

其值由Ix69定义，它将转换为-10V到+10V的电压输出。Ix08表示

电机X中一个内部位置放大系数(通常设为96)。而Ix09表示电机X中

速度环的一个内部放大系数。FE(n)表示伺服周期n内得到的跟随误差，

是该周期内指令位置与实际位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n)表示伺

服周期n内的实际速度，是每个伺服周期最后两个实际位置的差值

[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n)表示伺服周期n内的指令速度，是每个伺服

周期最后两个指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n)表示伺服周期n

内的指令加速度，是每个伺服周期最后两个指令的速度差值[CV(n)-

CV(n-1)]。IE(n)表示伺服周期n的跟随误差的积分，其值为：

5.直线电机的PID控制实验

5.1 PID滤波器工作原理

过去伺服系统的设计主要按照反馈控制原理进行，不能完全实现

无跟随误差控制，也很难满足速度上和精度上的较高要求。PMAC属

于全数字伺服系统，通过采用计算机的硬件以及软件技术，以新的控

制方法对系统的性能进行完善，并能实现速度和精度的高要求。通过

软件来决定系统的位置、速度以及电流的校正环节PID控制。利用前

馈控制技术，形成以“反馈-前馈”为模式的复合控制系统，大大缩小

了位置跟踪滞后造成的误差，位置控制精度明显提高。理论上，这种

系统可以对速度误差、加速度误差、静态位置误差以及外界干扰引起

的误差消除完全，真正实现“无误差调节”。

为了保证稳态和动态特性均为良好状态，同时满足系统对位置控

制的要求，就要校正和完善系统的控制环节。控制环节占据整个系统

的较为重要的地位，因此确定系统的基本特性(包括机械传动、电动机

选型等)之后，就要对系统的控制环进行校正。通常是在伺服环滤波器

的调节下，按照被控物理系统的动力学性能来设置伺服环参数，保证

能够实现刚性高、稳定性强以及跟随误差小的系统伺服特性能。

5.2 PID滤波器的调节

为达到适合PC及其兼容机的PMAC执行程序的目的，PEWIN32

提供了一个调节PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波器参数的较为简

便方法。 在用阶跃响应对PID参数进行调节后，保持参数稳定，

利用正弦波响应来调整前馈，并取得“速度”和“跟随误差”两项数

据。

步骤如下：

在初始化阶段，要连接正确光刻机控制系统，安装PEWIN32执行

软件，确保主机与PMAC正常通信，并对PMAC进行初始化设置和简

单人工操作。

(1)将所有电机闭环。通过#1j/、#2j/和#4j/在线命令执行。

(2)输入正弦波的运动大小和时间，按下“Do a Parabolic”键，

执行正弦波响应。

(3)待主机传输数据后，将数据进行采集整理，利用曲线与命令曲

线的形式展现采集的数据，进行比较。仔细分析响应曲线中的速度系

数、平均速度误差、加速度系数、平均加速度误差、最大误差以及各

种变量值。

(4)加大Ix32，重复响应过程，到跟随误差曲线形状类似方波为止。

选择“What To Plot”的“加速度”和“跟随误差”两项。增加Ix35，

观察响应曲线和数据值的变化，如果不够明显，缩短运动时间或者加

大运动长度。继续增加Ix35，所有系数均为正数方可。此时的跟随误

差主要由噪声或机械摩擦导致的，误差较小。

(5)Ix34=1，增加Ix32，调节Ix35，得到合适的响应曲线为止。

如图3、4所示，通过实验结果可以看出，调节PID参数，可以使

光刻机系统的动态性能和稳态性能较为理想。

6.结束语

笔者围绕直线电机，将其作为光刻机控制系统的快速伺服进给单

元进行了研究，可满足光刻机零传动的需求。利用PID+前馈控制法实

现直线电机的控制，整体上提高了直线电机进给系统稳态性能和动态

性能，为直线电机以及PMAC控制器的使用提供参考，也为其在速度

快、精度高的控制系统领域的发展奠定了基础。

参考文献

[1]韩金恒，潘松峰，高菲，王磊.基于PMAC伺服系统的PID-前

馈算法及其参数调节[J].信息技术与信息化，2008(05).

[2]田会峰，刘文杰.基于PMAC的直线电机PID研究[J].自动化技

术与应用，2007(11).

[3]朱立达，朱春霞，蔡光起.PID调节在PMAC运动控制器中的应

用[J].组合机床与自动化加工技术，2007(02).

[4]梁尧成，李叶松，秦忆.伺服系统速度控制器参数自调整方法[J].

华中理工大学学报，2007(11).

[5]孙颖，胡军辉，裴建岗，金卫东.基于DSP的无刷直流电机伺服

系统设计[J].山西电子技术，2009(06).

[6]邢作霞，郑琼林，姚兴佳，王发达.基于BP神经网络的PID变

桨距风电机组控制[J].沈阳工业大学学报，2006(06).

电机控制技术论文篇二

电机控制的技术市场动向

摘要：通过对部分市场调查公司和半导体供应商的访问，探讨了

当前电机控制的技术市场动向。

DOI： 10.3969/.1005-5517.2012.9.001

电机控制市场

概览

电机应用于消费电子、住宅、工业、通用、交通和农业等领域。

据德州仪器(TI)半导体技术(上海)公司半导体事业部市场推广经理__林

介绍，新兴的应用机会有工业泵和压缩机、HVAC(加热通风空调)、汽

车、低电压风扇、医疗泵等。

电机类型方面，90%的市场是步进电机、有刷电机和无刷电机。

步进电机：占整个市场的15%，有开环位置和速度控制，简单的

控制I/F，适合于做执行机构;

有刷DC：占45%市场份额，特点是容易旋转，低成本。但是刷

子会磨损，效率不高、工作发热。

无刷DC：30%市场份额，寿命长/可靠且有效率，控制精度也较

高。缺点是成本和复杂性较高。

表1 电机市场/TAM/年营业额

中国电机市场

IHS IMS Research公司负责电机和电机控制的高级分析师周万木

称，在工业电机驱动领域，最激动人心的事情莫过于高效电机的切换

为电机驱动所带来的市场机会。

2012年5月11日国家发布了《中小型三相异步电动机能效限定

值及能效等级》即GB18613-2012，将取代GB18613-2006成为新的

中国高效电机标准，强制实施日期为2012年9月1日。GB18613-

2012适用于1000V以下的电压，50Hz三相交流电源供电，额定功率

在0.75kW～375kW范围内，极数为2级、4级和6级，连续工作制

的一般用途电动机或防爆电动机。

2006年发布GB18613-2006以来，由于种种原因，我国高效电

机推广一直停滞不前。不过近年来各种政策执行力度逐渐增强，能效

标签管理制度越来越健全，客户对高效节能电机认知度开始提升，财

政补贴将普通电机和高效电机价格差填平，2011年下半年来原材料价

格上涨压力减小。IHS认为以上所有因素的效果叠加，会在很大程度

上启动高效电机市场需求，引发电机产品结构调整，进而促进产业优

化升级。

根据IHS IMS Research公司《中国中小型电机市场研究报告》，

2012年中国中小型电机市场容量为200亿元人民币，年出货量约

1200万台。IHS预期高效电机销量将从2012年第4季度开始增加，

大规模的切换将会开始发生在2013年，参考美国当年2～3年完成高

效电机切换的历史，预计高效节能电机在中国将呈现稳步增长，第一

个销售高峰将从2013年第2季度开始。而普通电机的市场将从2013

进入负增长，逐渐萎缩。

高效电机的切换为电机驱动领域带来了新的市场机会。众所周知，

单独更换高效电机，平均效率只能提高5%左右，而使用变频器加上高

效电机，整个电机系统的节能效果就能达到50%以上!如果工业客户开

始使用高效电机，没有理由不再安装变频器使整个电机控制系统变得

更加节能，这样变频器的需求将会大大增加。另外，永磁电机和伺服

驱动在很多行业都发挥了很好的节能降耗作用。

整个电机控制系统的智能化、网络化和远程控制将是大势所趋。

电机系统自动故障报警、远程监控和远程诊断调试等需求将会要求使

用越来越多的功能更多，处理能力更强的MCU和DSP。未来的工业

电机系统不仅仅是一个执行机构，同时也会是整个工厂系统的一个有

机组成部分和能源使用监控点。远程电机温度检测、异常震动检测和

电流电压监测等需求将会为模拟芯片创造更多的市场机会。

图1 电机分布图

电机控制的技术趋势

更加绿色

Microchip公司MCU16产品部产品营销经理Charlie Ice称，

Microchip预期“绿色”电机控制技术将始终是电机控制市场的重要

因素。为实现“绿色”电机控制所需的更高效率，电机控制设计人员

将继续寻找更高级的控制算法、新型电机设计和系统智能技术。预计

BLDC(直流无刷电机控制)电机将因其增强的可靠性和更高的效率而在

许多系统中逐渐取代有刷直流电机。BLDC电机控制算法将越来越先进，

从而实现高效系统。预计正弦电机驱动技术将取代梯形控制，而磁场

定向控制(FOC)之类的算法将得到更普遍应用。同时，使用交流感应电

机的系统也将采用更高效的控制算法，如磁场定向控制，从而实现更

高的效率。除了更高效的控制算法，还将加强新型电机的开发。系统

设计人员将着眼于新型电机，如开关磁阻电机和内置式无刷永磁电机，

与当今很受欢迎的电机类型相比，它们更有可能实现更高效率。

绿色=高效设计+高效控制

英飞凌科技工业与多元电子市场部高级经理黄志鸿称，该公司对

于绿色电机技术的定义指的是高能效电机设计和高效电机控制技术。

二者的结合可将电机的能效提高一倍。最常使用的单相交流感应电机

的能效为30%至50%。采用绿色电机技术后，系统的能效可提高至80%

以上。诸如无刷直流电机(BLDC)和永磁电机(PMSM)等绿色电机，要

求采用单片机(MCU)和磁传感器实现精确控制和实时响应。低损耗电

力电子器件可提升系统的整体效率。随着系统成本上升，电子组件的

质量和可靠性成为一个重要的考虑因素，质量和可靠性不高的电子组

件有损于系统的环保性。

新的电机控制算法要求经验丰富的工程师。全新推出的单片机工

具链包含自动代码生成器，从而可减轻工程师的软件开发任务。

未来电机方向

TI__林经理称，除了硬件以外，重要的是如何用很优异的算法去

控制。TI在全球除了做IC设计外，还有一个专门的实验室Kilby Lab

做算法，也就是冰箱、洗衣机、空调、电动自行车、电动工具这些硬

件的算法。

对于未来电机技术的发展，TI模拟器件驱动方案主要关注于以下

几点：嵌入式控制，控制算法，数字控制环路，更高的集成度，改进

的动作属性(引擎/性能)。MCU方面的创新主要会涉及：自动化电机控

制，差异化工具，成本、效率、连接与安全性的选择，让客户集中精

力实现增值。