直線電機(jī)伺服控制技術(shù)研究

王慧靜 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

直線電機(jī)伺服控制技術(shù)研究

王慧靜 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

相較于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)能夠直接將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)而不需要借助任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，能夠滿足高精數(shù)控系統(tǒng)和精密測(cè)量等諸多應(yīng)用場(chǎng)合的需求，但這種控制方式由于消除了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的中間傳動(dòng)機(jī)械鏈，負(fù)載變化直接作用于直線電機(jī)，所以使精確控制變地更難以實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)構(gòu)建速度環(huán)模糊PID控制器，獲得了滿意的控制效果，這為發(fā)展高性能的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)提供了一定的指導(dǎo)與借鑒價(jià)值。

直線電機(jī) 速度環(huán) 伺服控制

1 引言

在許多要求高速、高精度和快速響應(yīng)等控制領(lǐng)域，被控對(duì)象往往要求具有很高的傳動(dòng)精度和可靠性，而旋轉(zhuǎn)電機(jī)因?yàn)槭軝C(jī)械傳動(dòng)鏈的拖累，已難以滿足高精數(shù)控系統(tǒng)和精密測(cè)量等諸多應(yīng)用場(chǎng)合的需求。由于直線電機(jī)減少了中間環(huán)節(jié)，而且進(jìn)給行程幾乎不受限制，所以直線電機(jī)伺服系統(tǒng)采用了直接驅(qū)動(dòng)的方式，這種方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高精數(shù)控系統(tǒng)和精密檢等諸多應(yīng)用場(chǎng)合的需求，但這種控制方式由于消除了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的中間傳動(dòng)機(jī)械鏈，負(fù)載變化直接作用于直線電機(jī)，所以使精確控制變得更難以實(shí)現(xiàn)，伺服控制系統(tǒng)必須首先要消除擾動(dòng)變化帶來(lái)的不利影響。

由于直線電機(jī)伺服系統(tǒng)是一種具有高度快速性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不可能在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的控制算法，而模糊控制策略通過(guò)在速度環(huán)的PID控制中引入模糊控制技術(shù)，在位置環(huán)采用經(jīng)典PID控制，可以極大地提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，所以本文在引進(jìn)模糊控制策略的基礎(chǔ)上，研究搭建出了直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的控制策略和控制方案進(jìn)行了探討。

2 永磁同步直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

2.1 永磁同步直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

永磁同步直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：在其定子上均勻地安裝N、S永磁體；動(dòng)子上開有齒槽，在齒槽里安裝電樞繞組；直線導(dǎo)軌安裝在定子上，動(dòng)子可沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。

由于永磁同步直線電機(jī)特殊的直線結(jié)構(gòu)，使得永磁同步直線電機(jī)可以消除機(jī)械傳動(dòng)鏈的影響，所以在要求高速、高精和快響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合（如高效凸輪軸磨床）具有顯著優(yōu)勢(shì)，但永磁同步直線電機(jī)由于省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，各種干擾因素以及負(fù)載力直接作用于電機(jī)上，增加了控制難道，因而要選擇合適的控制策略對(duì)各種擾動(dòng)進(jìn)行抑制，以獲得滿意的控制效果。

2.2 永磁同步直線電機(jī)的工作原理

永磁同步直線電機(jī)的基本工作原理可以被認(rèn)為是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著半徑方向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成直線而形成的。此時(shí)的氣隙磁場(chǎng)即可看成沿展開的直線方向呈正弦分布，即行波磁場(chǎng)；而行波磁場(chǎng)與永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁推力以促使動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)。

3 模糊控制的基本原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的高精度控制，系統(tǒng)采用全閉環(huán)的控制策略，但在系統(tǒng)的速度環(huán)控制中，因?yàn)樨?fù)載直接作用在電機(jī)而產(chǎn)生的擾動(dòng)，如果僅采用PID控制，則很難滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng)需求。由于模糊控制技術(shù)具有適用范圍廣、對(duì)時(shí)變負(fù)載具有一定的魯棒性的特點(diǎn)，而直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)又是一種要求要具有快速響應(yīng)性并能夠在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，所以本文考慮在速度環(huán)設(shè)計(jì)了PID模糊控制器，利用模糊控制器對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，并同電流環(huán)和位置環(huán)的經(jīng)典控制策略一起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)的精確控制。

模糊控制器包括四部分：①模糊化。主要作用是選定模糊控制器的輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的模糊量，具體包含以下三步：第一，對(duì)輸入量進(jìn)行滿足模糊控制需求的處理；第二，對(duì)輸入量進(jìn)行尺度變換；第三，確定各輸入量的模糊語(yǔ)言取值和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。②規(guī)則庫(kù)。根據(jù)人類專家的經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則庫(kù)。模糊規(guī)則庫(kù)包含眾多控制規(guī)則，是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過(guò)渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。③模糊推理。主要實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的推理決策。④解模糊。主要作用是將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出。

4 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

首先，將采用經(jīng)典PID控制的位置環(huán)處理后得到值作為給定速度信號(hào)V*；然后將速度反饋值V與V*的差值經(jīng)由速度環(huán)模糊控制器輸出電流矢量的計(jì)算值Iq*和Id*（角標(biāo)d、q代表d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個(gè)坐標(biāo)軸）；第三，將電流反饋值Iq、Id與指令值Iq*、Id*的差值分別由q軸和d軸的電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整；第四，將上位步驟得到的信號(hào)通過(guò)SVPWM技術(shù)進(jìn)行處理，形成逆變器的PWM信號(hào)；最后，控制逆變器輸出需要的信號(hào)來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

直線電機(jī)伺服控制技術(shù)在高精度機(jī)床加工、高精度定位檢測(cè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是我國(guó)在這方面的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較薄弱，應(yīng)用方式也比較單一。本文通過(guò)構(gòu)建模糊控制器對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制，獲得了理想的控制結(jié)果，這為發(fā)展高性能的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)提供了一定的指導(dǎo)價(jià)值。

[1]葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

[2]曾光奇，胡均安，王東等.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)版社，2006

[3]孫宜標(biāo).基于模糊自學(xué)習(xí)的交流直線伺服系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001（1）