直線電機伺服控制技術研究

楊飛

摘 要：與旋轉電機相比，直線電機可以直接把電能轉換為直線運動而無需通過其他中間環(huán)節(jié)，滿足了高精數(shù)控系統(tǒng)以及精密測量等各類應用的需要，不過該種控制方式因為除去了旋轉電機的中間傳動機械鏈，負載直接作用到直線電機，因此就更加難以實現(xiàn)精確控制。本文對直線電機伺服控制技術展開探討。

關鍵詞：直線電機；速度環(huán)；伺服控制

中圖分類號：TG661 文獻標識碼：A

在某些控制領域需要實現(xiàn)高速率、高準確度以及迅速反應等，被控目標常常需要具備一定的傳動準確度以及可靠性，而旋轉電機由于受到機械傳動鏈的影響，達不到數(shù)控裝置以及高精檢測等各類應用的需求。因為直線電機無需通過中間環(huán)節(jié)，且進給流程近乎不受影響，因此直線電機伺服系統(tǒng)應用了直接驅動的方法，該種方法有著以下特點，組成簡單、反應迅速、準確度高、適用范圍廣等，可以滿足數(shù)控裝置以及高精檢測等各類應用的需求，不過這類控制方法因為除去了旋轉電機的中部傳動機械鏈，負載改變直接作用到直線電機，因此就更加難以實現(xiàn)精確控制，伺服控制系統(tǒng)必須排除干擾影響所造成的不利因素。

因為直線電機伺服系統(tǒng)是一類有著非常快速性的動態(tài)系統(tǒng)，難以在非常短暫的時間段內(nèi)進行較為復雜的控制運算，而模糊控制策略利用在速度環(huán)的PID控制中應用模糊控制技術，在位置環(huán)應用經(jīng)典PID控制，能夠有效地增強系統(tǒng)的迅速反應能力，因此本文基于模糊控制策略的基礎上，對直線電機伺服控制技術進行研究，并對系統(tǒng)的控制策略以及控制方案展開討論。

一、直線電機控制技術

直線電機也被稱作線性電機，線性馬達，直線馬達等。最為常見的直線電機形式有平板式、U型槽式以及管式。線圈的較為典型的構成是三相，有霍爾元件進行無刷換相。在相關的實際應用中的穩(wěn)定運行，表明直線電機是能夠在生產(chǎn)中放心應用的。那么對于直線電機控制技術的研究主要包括了哪些方面呢？對于直線電機控制技術的研究主要包括了以下3個方面：首先是傳統(tǒng)控制技術，其次是現(xiàn)代控制技術，最后是智能控制技術。

傳統(tǒng)的控制技術，比如PID反饋控制、解耦控制等技術在交流伺服系統(tǒng)中獲得了一定的應用。其中的PID控制，包含動態(tài)控制系統(tǒng)中的過去、現(xiàn)在以及未來的相關信息，有著非常強的穩(wěn)定性，是交流伺服電機驅動設備中最為根本的控制形式。為了改善相應的控制成效，常常應用解耦控制以及矢量控制技術。在項目類型明確、不發(fā)生改變而且是線性的以及操作環(huán)境、運行條件是明確不變化的前提下，應用傳統(tǒng)的控制技術是最為方便快捷的。不過，在高準確度微進給的有關場景下，就需要注意到對象構成以及數(shù)據(jù)的改變情況。各類非線性的干擾，運行條件的變化以及環(huán)境影響等時變與不確定影響，才能獲得較為理想的管理成效。所以，現(xiàn)代控制技術在直線伺服電機控制的有關研究中獲得了很強的關注度。一般的控制技術包括：自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制以及智能控制。當前，重點是把模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡以及PID等已有的已應用的控制技術有機結合起來，揚長避短，以實現(xiàn)最佳的應用效果。

直線電機主要是被應用在以下3個方面：首先是使用在自動控制系統(tǒng)，這一應用機會相對多一些；其次是被當作長時間持續(xù)運轉的驅動電機；最后是使用到須在較短的時間內(nèi)、以及較短的距離內(nèi)給出極大的直線運動能的設備中。

二、永磁同步直線電機的基本構成與運行原理

1.永磁同步直線電機的基本構成

永磁同步直線電機的結構由以下部分組成：在它的定子上相應位置裝設N、S永磁體；動子上設置齒槽，在齒槽里裝設電樞繞組；在定子上裝設直線導軌，動子能夠沿著導軌移動。因為永磁同步直線電機特定的構成，使得其能夠免除機械傳動鏈的干擾，因此在需要實現(xiàn)高速率、高準確度以及迅速反應等的應用（比如，高效凸輪軸磨床）有著明顯的優(yōu)勢，不過因為它去除了中部的傳動部分，各類影響因素以及負載力就會直接應用到電機上，提升了控制的困難程度，所以必須選取有效的控制策略來對各類影響做出限制，以實現(xiàn)理想的控制成效。

2.永磁同步直線電機的運行原理

永磁同步直線電機的運行原理，一般能夠被看作是把一臺旋轉電機從半徑方位切開，接著把電機的圓周改做直線而實現(xiàn)的。這時候的氣隙磁場就能夠看作沿著直線方位表現(xiàn)出正弦布局，也就是行波磁場；而它與永磁體的勵磁磁場互相產(chǎn)生反應實現(xiàn)電磁推力，以推動動子做直線運動。

三、模糊控制策略探討

1.模糊控制的實現(xiàn)原理

為了達到對直線電機運動的準確控制，系統(tǒng)應用的是全閉環(huán)控制，不過在速度環(huán)的控制中，由于負荷直接應用到電機而出現(xiàn)的擾動，假如只應用PID控制，就難以實現(xiàn)系統(tǒng)的迅速反應要求。因為模糊控制技術有著應用領域廣泛、對時變負荷有著很好的穩(wěn)定性的優(yōu)勢，而直線電機伺服控制系統(tǒng)又是一類需要具備迅速反應特性且可以在非常短暫的時間內(nèi)進行動態(tài)調(diào)整的系統(tǒng)，因此本文就在速度環(huán)設置了PID模糊控制器，使用模糊控制器對電機的速率實現(xiàn)控制，并與電流環(huán)、位置環(huán)的有效控制策略共同作用來完成對直線電機的準確控制。

模糊控制器由4個部分組成：（1）模糊化。它的作用是選擇模糊控制器的輸入量，并把它轉化為能夠被辨識的模糊量，主要包括了如下3個步驟：首先，對輸入量實現(xiàn)符合模糊控制需要的處理；其次，對輸入量實現(xiàn)尺度轉化；最后，明確各個輸入量的取值以及相關的函數(shù)。（2）規(guī)則庫。按照專家學者的經(jīng)驗創(chuàng)建模糊規(guī)則庫。其包括了許多的控制規(guī)則，是從事實控制經(jīng)驗發(fā)展到模糊控制器的重要環(huán)節(jié)。（3）模糊推理。目的是進行基于理論的推理判決。（4）解模糊。目的是把上個步驟獲得的控制量變換為控制輸出。

2.速度環(huán)模糊控制器的設計

研究發(fā)現(xiàn)，一是，把速率誤差E以及偏差變化率ΔE都實現(xiàn)模糊量化反應，把所得到的數(shù)值當作模糊控制器的相應輸入；二是，按照模糊規(guī)則實現(xiàn)模糊推理，并把獲得的模糊值進行解模糊，再與比例因子相差變換為ΔKp、ΔKi、ΔKd；三是，把上一步獲得的數(shù)與原數(shù)相加獲得新的數(shù)值；四是，按照新的PID值計算控制程度u（t），實現(xiàn)控制任務。

四、總體方案設計

一是，把應用常規(guī)PID控制的位置環(huán)運算后獲得的值當作給定速率信號V*；二是，把速率反饋值V和V*的差值通過速度環(huán)模糊控制器得到電流矢量的運算值Iq*和Id*（角標d、q表示d-q旋轉坐標系的相應坐標軸）；三是，把電流反饋值Iq、Id和指令值Iq*、Id*的差值經(jīng)由q軸與d軸的電流調(diào)整器實現(xiàn)再處理；四是，把在上一步獲得的數(shù)值利用SVPWM技術來處理，獲得逆變器的PWM信號；五是，管控逆變器輸出所需的信號來實現(xiàn)電機運轉。

結語

直線電機伺服控制技術，在精準機床加工、精準定位測試等各個領域都獲得了有效的運用，不過國內(nèi)在該領域的研究與國際上的發(fā)達國家比較還處于弱勢，使用方法也相對簡單。本文創(chuàng)建模糊控制器對電機速率實現(xiàn)控制，取得了非常好的控制效果，希望為未來高效直線電機伺服系統(tǒng)的研究提供一定的借鑒。

參考文獻

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