直線電機伺服控制技術(shù)研究

楊飛

摘 要：與旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電機可以直接把電能轉(zhuǎn)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(yīng)用的需要，不過該種控制方式因為除去了旋轉(zhuǎn)電機的中間傳動機械鏈，負(fù)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(shù)展開探討。

關(guān)鍵詞：直線電機；速度環(huán)；伺服控制

中圖分類號：TG661 文獻標(biāo)識碼：A

在某些控制領(lǐng)域需要實現(xiàn)高速率、高準(zhǔn)確度以及迅速反應(yīng)等，被控目標(biāo)常常需要具備一定的傳動準(zhǔn)確度以及可靠性，而旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用了直接驅(qū)動的方法，該種方法有著以下特點，組成簡單、反應(yīng)迅速、準(zhǔn)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(yīng)用的需求，不過這類控制方法因為除去了旋轉(zhuǎn)電機的中部傳動機械鏈，負(fù)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?？焖傩缘膭討B(tài)系統(tǒng)，難以在非常短暫的時間段內(nèi)進行較為復(fù)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(yīng)用模糊控制技術(shù)，在位置環(huán)應(yīng)用經(jīng)典PID控制，能夠有效地增強系統(tǒng)的迅速反應(yīng)能力，因此本文基于模糊控制策略的基礎(chǔ)上，對直線電機伺服控制技術(shù)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(shù)

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(gòu)成是三相，有霍爾元件進行無刷換相。在相關(guān)的實際應(yīng)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(yīng)用的。那么對于直線電機控制技術(shù)的研究主要包括了哪些方面呢？對于直線電機控制技術(shù)的研究主要包括了以下3個方面：首先是傳統(tǒng)控制技術(shù)，其次是現(xiàn)代控制技術(shù)，最后是智能控制技術(shù)。

傳統(tǒng)的控制技術(shù)，比如PID反饋控制、解耦控制等技術(shù)在交流伺服系統(tǒng)中獲得了一定的應(yīng)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(guān)信息，有著非常強的穩(wěn)定性，是交流伺服電機驅(qū)動設(shè)備中最為根本的控制形式。為了改善相應(yīng)的控制成效，常常應(yīng)用解耦控制以及矢量控制技術(shù)。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(yīng)用傳統(tǒng)的控制技術(shù)是最為方便快捷的。不過，在高準(zhǔn)確度微進給的有關(guān)場景下，就需要注意到對象構(gòu)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(shù)在直線伺服電機控制的有關(guān)研究中獲得了很強的關(guān)注度。一般的控制技術(shù)包括：自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制以及智能控制。當(dāng)前，重點是把模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及PID等已有的已應(yīng)用的控制技術(shù)有機結(jié)合起來，揚長避短，以實現(xiàn)最佳的應(yīng)用效果。

直線電機主要是被應(yīng)用在以下3個方面：首先是使用在自動控制系統(tǒng)，這一應(yīng)用機會相對多一些；其次是被當(dāng)作長時間持續(xù)運轉(zhuǎn)的驅(qū)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(shè)備中。

二、永磁同步直線電機的基本構(gòu)成與運行原理

1.永磁同步直線電機的基本構(gòu)成

永磁同步直線電機的結(jié)構(gòu)由以下部分組成：在它的定子上相應(yīng)位置裝設(shè)N、S永磁體；動子上設(shè)置齒槽，在齒槽里裝設(shè)電樞繞組；在定子上裝設(shè)直線導(dǎo)軌，動子能夠沿著導(dǎo)軌移動。因為永磁同步直線電機特定的構(gòu)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(zhǔn)確度以及迅速反應(yīng)等的應(yīng)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(fù)載力就會直接應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhǔn)確控制，系統(tǒng)應(yīng)用的是全閉環(huán)控制，不過在速度環(huán)的控制中，由于負(fù)荷直接應(yīng)用到電機而出現(xiàn)的擾動，假如只應(yīng)用PID控制，就難以實現(xiàn)系統(tǒng)的迅速反應(yīng)要求。因為模糊控制技術(shù)有著應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、對時變負(fù)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(yīng)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(shè)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化；最后，明確各個輸入量的取值以及相關(guān)的函數(shù)。（2）規(guī)則庫。按照專家學(xué)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(shè)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(yīng)，把所得到的數(shù)值當(dāng)作模糊控制器的相應(yīng)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(wù)。

四、總體方案設(shè)計

一是，把應(yīng)用常規(guī)PID控制的位置環(huán)運算后獲得的值當(dāng)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(biāo)d、q表示d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)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(shù)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(zhuǎn)。

結(jié)語

直線電機伺服控制技術(shù)，在精準(zhǔn)機床加工、精準(zhǔn)定位測試等各個領(lǐng)域都獲得了有效的運用，不過國內(nèi)在該領(lǐng)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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