陳東生 吉 方 藍(lán) 河

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621900）

與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)消除了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、摩擦小、無(wú)齒隙誤差、響應(yīng)快、精度高，但直線電動(dòng)機(jī)中間環(huán)節(jié)的消除使得外部干擾無(wú)衰減地直接作用于直線電動(dòng)機(jī)，同時(shí)采用靜壓支撐，其系統(tǒng)阻尼系數(shù)很小，這使得定位機(jī)構(gòu)對(duì)振動(dòng)干擾更加敏感。此外，直線電動(dòng)機(jī)存在固有的推力波動(dòng)，是影響伺服控制精度的主要原因，這種推力波動(dòng)將引起速度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)和噪聲，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件性能、伺服精密調(diào)整方面來(lái)提高和優(yōu)化直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性與控制系統(tǒng)的魯棒性，減小外來(lái)擾動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)的影響，提高伺服系統(tǒng)剛度;提高靜壓支撐下直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線平臺(tái)的高動(dòng)態(tài)特性、高精度定位、高穩(wěn)態(tài)特性。本文就在氣浮支撐的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出解決辦法，以供大家借鑒。

1 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

本直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)氣浮支撐的精密定位臺(tái)，需要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的高精度定位。直線電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用高精度直線光柵尺進(jìn)行閉環(huán)位置檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基于觀察器的三層控制模式:即采用具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

系統(tǒng)采用無(wú)鐵芯直線電動(dòng)機(jī)，光柵尺采用HEIDENHAIN公司的敞開式高精度光柵尺，其分辨率為0.005 μm，將光柵尺位置信號(hào)直接反饋到驅(qū)動(dòng)器，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)全數(shù)字的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制，電流環(huán)通過(guò)PWM控制信號(hào)到IGBT功率單元，然后通過(guò)U、V、W實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)HALL信號(hào)進(jìn)行換相。

2 HALL換相的故障診斷

系統(tǒng)采用的測(cè)量元件為增量式光柵尺。增量式光柵尺分為帶換相信號(hào)的增量式編碼器和普通的增量式編碼器，帶換相信號(hào)的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號(hào)外，還具備互差120°的電子換相信號(hào)UVW，UVW各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)一致。本系統(tǒng)的增量式光柵尺是普通增量式，它提供兩相正交方波脈沖輸出信號(hào)A和B，以及零位信號(hào)Z，它不具備UVW相位信息，而Z信號(hào)也只能反映一圈內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)位，不具備與電動(dòng)機(jī)相位與轉(zhuǎn)子相位對(duì)齊潛力，為此，電動(dòng)機(jī)的換相是通過(guò)直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子上的固定HALL傳感器來(lái)進(jìn)行換相。

在直線電動(dòng)機(jī)的性能調(diào)整中遇到了一個(gè)棘手的問(wèn)題，直線電動(dòng)機(jī)無(wú)法換相。其故障現(xiàn)象:系統(tǒng)配置過(guò)程中出現(xiàn)故障，報(bào)警提示為HALL Commutation error，應(yīng)該是HALL的換相故障。

故障診斷分析:

（1）對(duì)于伺服系統(tǒng)的調(diào)試，首先想到的是硬件接線錯(cuò)誤導(dǎo)致HALL的相序有誤。最先排查的就是硬件接線，檢查接線是否錯(cuò)誤，在仔細(xì)核對(duì)HALL傳感器的接口信號(hào)與驅(qū)動(dòng)器的接口信號(hào)匹配關(guān)系、測(cè)試線纜沒(méi)有斷點(diǎn)后，確認(rèn)接線沒(méi)有問(wèn)題，故障原因不是接線的問(wèn)題。

（2）硬件接線沒(méi)有問(wèn)題的話，考慮是否是軟件上故障，即設(shè)置參數(shù)不對(duì)，驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)配置錯(cuò)誤導(dǎo)致的。電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行反饋系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，需要設(shè)置編碼器分辨率、換相方式、換相角度、換相的方向、傳感器極性、傳感器Z信號(hào)是否有效等。但通過(guò)軟件手冊(cè)仔細(xì)分析并嘗試多次更改參數(shù)，其故障依然存在。

（3）軟件與電氣連接都沒(méi)有問(wèn)題，考慮是否是電氣信號(hào)干擾導(dǎo)致HALL信號(hào)不正常，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行換相角檢測(cè)。將其他電氣系統(tǒng)均關(guān)閉，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試也沒(méi)有給主電源上電，只是驅(qū)動(dòng)24 V給電。另外，光柵的線纜、HALL的信號(hào)電纜均采用的原裝電纜，是不存在干擾問(wèn)題的。

（4）參數(shù)配置沒(méi)錯(cuò)、硬件接線也是對(duì)的，要么是HALL傳感器沒(méi)有信號(hào)，要么驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)。我們首先檢測(cè)HALL是否正常，即HALL傳感器是否具有硬件故障。圖2是在慢速推動(dòng)帶直線電動(dòng)機(jī)的平臺(tái)后，用示波器對(duì)3個(gè)HALL:HA、HB、HC的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)后得到的波形。如圖2所示。HA與HC的波形幅值較小，HA約為0.8 V，HC約為0.7 V，并且有波動(dòng)，難道是HALL傳感器的硬件故障，導(dǎo)致HALL信號(hào)幅值太小而無(wú)法檢測(cè)?

（5）考慮通過(guò)驅(qū)動(dòng)器能否檢測(cè)到HALL信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試軟件來(lái)監(jiān)測(cè)其HALL信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)可以檢測(cè)到該信號(hào)，并且與示波器的HALL信號(hào)檢測(cè)對(duì)比，雖然波形不是太好，但信號(hào)是有輸出的，并且匹配得也很好。到此就可以排除HALL傳感器的硬件故障，同時(shí)排除了驅(qū)動(dòng)器信號(hào)監(jiān)測(cè)故障。

（6）到此我們得出HALL信號(hào)是沒(méi)有問(wèn)題的，但為何會(huì)報(bào)警HALL換相故障呢?

電動(dòng)機(jī)的換相是需要3個(gè)HALL傳感器:HA、HB、HC，它們按電角度120°進(jìn)行分布，其供電電源是直流5 V電源，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)對(duì)3個(gè)HALL信號(hào)的組合來(lái)知道電動(dòng)機(jī)所處的位置，以決定何時(shí)對(duì)UVW進(jìn)行換相，那么就只有HALL的信號(hào)位置與UVW之間的位置關(guān)系不對(duì)會(huì)導(dǎo)致該故障。

將3個(gè)阻值相等的電阻（2 KΩ）接成星型，如圖3所示，然后將星型連接的3個(gè)電阻分別接入電動(dòng)機(jī)的UVW三相繞組引線，以示波器觀察電動(dòng)機(jī)U相輸入與星型電阻的中點(diǎn)，就可以近似得到電動(dòng)機(jī)的U相反電勢(shì)波形;通過(guò)測(cè)量 U、V、W三端與公共端之間的波形和HA、HB、HC之間的波形關(guān)系。如圖4～6所示。

從這3張波形圖中發(fā)現(xiàn)，HALLA一出現(xiàn)上升沿，V相電壓開始上升;HALLB一出現(xiàn)上升沿，U相電壓開始上升;HALLC一出現(xiàn)上升沿，W相電壓開始上升;它驗(yàn)證了直線電動(dòng)機(jī)的HALL與電動(dòng)機(jī)的相位關(guān)系是沒(méi)有錯(cuò)的。

（7）到此能夠考慮到的故障原因都已經(jīng)排除了，但問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決。

嘗試是否是廠商提供的參數(shù)與配置有問(wèn)題，將HA與HB、HC之間的信號(hào)更換一下，當(dāng)將HA與HB更換后，發(fā)現(xiàn)報(bào)警消失了，但無(wú)法伺服enable，在某個(gè)位置可以enable，但運(yùn)動(dòng)到HALL位置有變化的地方就又會(huì)報(bào)錯(cuò)。從這里可以分析得到還是HALL之間的關(guān)系不對(duì)。由于我們無(wú)法知道驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部如何去匹配這個(gè)關(guān)系，因此再次閱讀分析其技術(shù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)HALL是可以轉(zhuǎn)換方向的。通過(guò)對(duì)hall轉(zhuǎn)換方向設(shè)置后，報(bào)警消失了，但仍然無(wú)法伺服 enable，報(bào)Comutation error;從設(shè)置中發(fā)現(xiàn)還可以轉(zhuǎn)換comutation的方向，轉(zhuǎn)換換相方向后，伺服enable有效了。

（8）但該設(shè)置下運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)仍然會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，報(bào)電流過(guò)大錯(cuò)誤。這是由于換相角不準(zhǔn)確的緣故，可以通過(guò)自動(dòng)設(shè)置換相角，但自動(dòng)設(shè)置無(wú)法通過(guò)。因此考慮采用手動(dòng)來(lái)設(shè)置換相角，通過(guò)前面的分析，在HALLA一出現(xiàn)上升沿，V相電壓開始上升;HALLB一出現(xiàn)上升沿，U相電壓開始上升;HALLC一出現(xiàn)上升沿，W相電壓開始上升;可以判斷它的換相角應(yīng)該是0°。將換相角設(shè)置完成后，在快速運(yùn)行時(shí)通過(guò)電流監(jiān)測(cè)，運(yùn)行過(guò)程中電流變化不大。至此，HALL調(diào)試的故障得以全部排除。

3 低速驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)化

直線電動(dòng)機(jī)的低速驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)化的最主要目的就是讓機(jī)電系統(tǒng)在低速下匹配達(dá)到最佳，以獲得最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)調(diào)試中遇到的問(wèn)題，總結(jié)出直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能主要受以下幾方面的影響。

（1）測(cè)量元件分辨率

直線電動(dòng)機(jī)的測(cè)量反饋系統(tǒng)一般是光柵尺。一般來(lái)講，分辨率越高，直線電動(dòng)機(jī)的反饋輸入越準(zhǔn)確，其控制的精度就越高。如圖7所示，在分辨率為50 nm下速度波動(dòng)達(dá)到了0.3 mm/min，而當(dāng)分辨率為5 nm時(shí)，速度波動(dòng)減小到0.07 mm/min。

（2）PWM控制的開關(guān)頻率

在數(shù)字控制交流伺服系統(tǒng)中，制約電流環(huán)帶寬的因素主要包括功率器件的開關(guān)頻率和A/D采樣時(shí)間、計(jì)算處理、PWM占空比更新等數(shù)字控制延時(shí)。提高PWM控制的開關(guān)頻率會(huì)大大提高系統(tǒng)的伺服帶寬，同時(shí)可以減小電流的紋波。如圖8，32 kHz下的電流紋波比8 kHz的要小得多。同時(shí)它能減小低速運(yùn)行時(shí)的波動(dòng)。

（3）外界力的干擾

直線電動(dòng)機(jī)中間環(huán)節(jié)的消除使得外部干擾無(wú)衰減地直接作用于直線電動(dòng)機(jī)，同時(shí)采用靜壓支撐，其系統(tǒng)阻尼系數(shù)很小，這使得定位機(jī)構(gòu)對(duì)振動(dòng)干擾更加敏感。此外，直線電動(dòng)機(jī)存在固有的紋波推力擾動(dòng)、齒槽推力波動(dòng)、端部效應(yīng)擾動(dòng)、永磁體磁鏈諧波擾動(dòng)以及外界負(fù)載阻力擾動(dòng)，它是影響伺服控制精度的主要原因。這些波動(dòng)將引起速度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)和噪聲，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

比如導(dǎo)軌的密封風(fēng)琴罩對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的速度波動(dòng)影響很大。如圖9，速度曲線中的尖峰就是由風(fēng)琴罩的移動(dòng)引起的。主軸在沒(méi)有做動(dòng)平衡前，在390 r/min的速度下對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的速度波動(dòng)影響達(dá)到了2.4 mm/min，而此時(shí)直線電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度為零。如圖10所示。

（4）先進(jìn)伺服算法

采用高級(jí)控制算法，如采用帶前饋的PID伺服控制算法、諧波消除控制、疊代學(xué)習(xí)控制、慣性阻尼控制等可以提高直線電動(dòng)機(jī)的控制精度。如圖11，慣性阻尼控制策略是在控制算法中增加兩個(gè)阻尼前饋控制:速度前饋?zhàn)枘岷碗娏髑梆佔(zhàn)枘?，它在控制算法中起到一個(gè)類似機(jī)械阻尼的作用，可以大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、增加速度穩(wěn)定性、縮短定位時(shí)間。迭代學(xué)習(xí)控制是控制器采集前段運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)對(duì)象參數(shù)的辨識(shí)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，并將其用于以后的運(yùn)動(dòng)控制中，通過(guò)迭代學(xué)習(xí)，其運(yùn)動(dòng)可以被不斷地學(xué)習(xí)與優(yōu)化，從而減小運(yùn)動(dòng)的跟隨誤差，提高動(dòng)態(tài)精度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的調(diào)整分析，得出以下結(jié)論:

（1）直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)試中HALL換相的調(diào)試是比較棘手的，需要在了解換相原理的基礎(chǔ)上對(duì)硬件性能和參數(shù)匹配進(jìn)行仔細(xì)的分析與診斷。

（2）高分別率光柵尺反饋對(duì)提高直線電動(dòng)機(jī)的低速性能是有益的。

（3）PWM開關(guān)頻率相對(duì)提高會(huì)減小電流紋波，同時(shí)減小控制電流的波動(dòng)，提高速度波動(dòng)精度。

（4）直線電動(dòng)機(jī)低速下運(yùn)行精度，外界力干擾的影響很大，尤其要提高機(jī)床自身的共振頻率、減小防護(hù)罩、外界振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

（5）采用帶前饋的PID伺服控制算法、諧波消除控制、疊代學(xué)習(xí)控制、慣性阻尼控制等可以提高直線電動(dòng)機(jī)的低速控制精度。

［1］M．Iwasaki and N．Matsui．Observer－ based friction compensation in servo drive system［C］．4th International Workshop on Advanced Motion Control IEEE．Japan．Mie University，Tsu－Ciy．1996，344－348．

［2］Moghani J S，Eastham J F．The dynamic response of linear brusgless D．C．motor［J］．IEE Proceedings of Electric Power Applications．2005．

［3］陳娟．伺服系統(tǒng)低速特性與抖動(dòng)補(bǔ)償研究［D］．長(zhǎng)春:中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2001．

［4］郭慶鼎．?dāng)?shù)控機(jī)床直線伺服驅(qū)動(dòng)控制的若干問(wèn)題與展望［J］．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006．