(蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州  215606)    田會峰，劉文杰，梁林祖 
田會峰（1980—）
男，安徽蕭縣人，碩士研究生 ，研究方向為自動控制。

    近年來，隨著自動控制技術和微型計算機的高速發展，對各類自動控制系統的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組成的直線運動驅動裝置，已經遠不能滿足現代控制系統的要求，為此，近年來世界許多國家都在研究、發展和應用直線電機，使得直線電機的應用領域越來越廣。

1 PMAC控制器簡介

    PMAC(Programmable Multi-axis Controller)是美國Delta Tau公司在上世紀九十年代推出的一種開放式多軸運動控制器。它是一種以DSP為核心的擁有高性能伺服控制器，可以通過靈活的高級語言最多控制八軸同時運動，并提供了運動控制、離散開展、內務處理、同主機交互等基本功能。

    PMAC是一臺完整的計算機，它還是一臺實時多任務的計算機，能自動對任務進行等級判斷，從而使具有高優先級的任務比具有低優先級的任務先被執行。它的速度、分辨率等指標遠優于一般控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制。可連接MACRO現場總線的高速環網，直接進行生產線的連動控制。

    與其他運動控制器相比，PMAC的最大特點是開放性。允許用戶根據自己的用途使用內部寄存器。PMAC的A/D和I/O與內部寄存器一樣是統一編址，可以像使用PMAC其它內存一樣來操作A/D和I/O，使用非常方便。內部寄存器和A/D、I/O的地址既可以使用PMAC的默認值，也可以由用戶重新定義，以滿足不同的需要。

2  直線電機的結構與基本工作原理

    2.1  直線電機的結構

    直線電機的直線電機是一種將電能轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。  直線電機的結構如圖  1所示。

圖1   直線電機結構
1 初級    2 次級  3行波磁場

    2.2 直線電機基本工作原理

    直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，也會產生氣隙磁場。當不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊端效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，即可看成沿展開的直線發向呈正弦形分布。當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按A、B、C相序沿直線移動。這個原理與旋轉電機相似，二者的差異是：這個磁場是平移的，而不是旋轉的，因此稱為行波磁場。

    顯然，行波磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是一樣的，即為Vs ，稱為同步速度（m/s），且
           Vs =2f

    再來看行波磁場對次級的作用。假定次級為柵形次級，次級導條在行波磁場切割下，將感應電動勢并產生電流。而所有導條的電流和氣隙磁場相互作用便產生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，如果初級是固定不動的，那么次級就順著行波磁場運動的方向作直線運動。若次級移動的速度用v表示，移動的差率（簡稱移差率）用s表示，則有：
        
      s=
         
     Vs-V=sVs
         
     V=（1-s）Vs

其中，在電機運動狀態下，s在0與1之間。          

3  PMAC+PC下的直線電機PID控制

    直線電機的負載與直線電機的定子相連，負載的變化和外部擾動直接影響伺服系統的性能。因此，直線電機的控制需要采用閉環控制這種高精度的伺服控制。   
PMAC提供的是PID+前饋控制的控制算法，其算法流程圖如圖2所示。

圖2   PID伺服調節器結構圖

    在圖2控制算法中，各參數所代表的變量分別如下：

    Kp：比例增益(Ix30); Kd：微分增益(Ix31)；Kvff ：速度前饋增益(Ix32)；Ki：積分增益（Ix33）；IM：積分模式(Ix34)；Kaff ：加速度前饋增益(Ix35)。

    PID伺服調節是通過設定不同的I變量來實現的。計算公式如下：

    DACout(n)=2-19*Ix30*[{Ix08*[FE(n)+(Ix32*CV(n)+Ix35*CA(n))/128+Ix33*IE(n)/223]}-Ix31*Ix09*AV(n)/128]

    其中：DACout(n)是伺服周期n中16位輸出命令（-32768到+32767）。它將轉換成-10V到+10V的電壓輸出。DACout(n)的值由Ix69定義。Ix08是電機X的一個內部位置放大系數(通常設為96)。Ix09是電機X的速度環的一個內部放大系數。FE(n)是伺服周期n內所得的跟隨誤差，即該周期內指令位置和實際位置的差值[CP(n)-AP(n)]。AV(n) 是伺服周期n內的實際速度，即每個伺服周期最后兩個實際位置的差值[AP(n)-AP(n-1)]。CV(n) 是伺服周期n內的指令速度，即每個伺服周期最后兩個指令位置的差值[CP(n)-CP(n-1)]。CA(n) 是伺服周期n內的指令加速度，即每個伺服周期最后兩個指令速度的差值[CV(n)-CV(n-1)]。IE(n)是伺服周期n的跟隨誤差的積分，大小為：

圖3   PMAC的PID+前饋調整界面



 圖4   前饋調節后正弦波響應曲線