直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)控制策略的研究

楊赫

摘要：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)，所以使精確控制變得更難以實(shí)現(xiàn)。本文主要探討在數(shù)控機(jī)床控制中的有關(guān)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)控制策略的研究。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；驅(qū)動(dòng)平臺(tái)；控制策略；研究

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，已難以滿足高精度要求的加工系統(tǒng)、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)，能夠滿足高精度要求的加工系統(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)，所以使精確控制變得更難以實(shí)現(xiàn)。

一、直線電機(jī)概述

（一）工作原理

所謂線性馬達(dá)又稱(chēng)為直線電機(jī)，是一種將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿軸線方向切開(kāi)后，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的初級(jí)展開(kāi)作為直線電機(jī)（線性馬達(dá)）的定子，次級(jí)通電后在電磁力的作用下沿著初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為直線電機(jī)（線性馬達(dá)）的轉(zhuǎn)子。直線電機(jī)作為一種傳動(dòng)裝置，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

（二）直線電機(jī)的特點(diǎn)

根據(jù)直線電機(jī)概念、原理，認(rèn)識(shí)直線電機(jī)應(yīng)把握以下特點(diǎn)：

（1）進(jìn)給速度范圍寬?？筛采w從1mm/s～1m/s及以上的速度范圍，目前成熟的移動(dòng)控制系統(tǒng)中的直線電機(jī)快進(jìn)速度已達(dá)3.5m/s，而傳統(tǒng)機(jī)床中移動(dòng)控制系統(tǒng)的快進(jìn)速度小于60m/rain，一般為0.3～0.5m/s。

（2）速度特性好。速度偏差可達(dá)0.01%以下，加速度大，直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g，激光加工設(shè)備給加速度已達(dá)5g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1g以下，一般為0.3～0.5g。

（3）定位精度高。一般采用光柵尺閉環(huán)控制，單軸分辨率一般為0.5μm或0.1μm，其單軸定位精度可達(dá)±2μm以內(nèi)。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。

（4）行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，一般為4～6m，更長(zhǎng)的行程需要接長(zhǎng)絲杠，無(wú)論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無(wú)限加長(zhǎng)，由于定子采用模塊化拼接，組裝工藝簡(jiǎn)單，已知的大型高速加工中心Z軸行程大于40m。重要的是，直線電機(jī)在較長(zhǎng)行程中也能保證高定位精度，使用直線電機(jī)的大型設(shè)備在3m的行程中單軸定位精度小于10μm。另外，直線電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

二、直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

一個(gè)直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅是性能良好的直線電機(jī)，還必須是能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求的控制系統(tǒng)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)與微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法越來(lái)越多。對(duì)直線電機(jī)控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個(gè)方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。

傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制蘊(yùn)涵動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。

在對(duì)象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運(yùn)行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術(shù)是簡(jiǎn)單有效的。但是在高精度微進(jìn)給的高性能場(chǎng)合，就必須考慮對(duì)象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運(yùn)行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時(shí)變和不確定因數(shù)，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術(shù)在直線伺服電機(jī)控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及智能控制。

近年來(lái)模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法也被引入直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID、Hoo控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以獲得更好的控制性能。

三、直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用

（一）活塞車(chē)削數(shù)控系統(tǒng)

在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，因而這種傳動(dòng)方式又被稱(chēng)為“零傳動(dòng)”。正是由于這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。其一，高速響應(yīng)。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件（如絲杠等），使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。其二，精度高。直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差。

（二）采用直線電機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

采用PC機(jī)與開(kāi)放式可編程運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，以通用微機(jī)及Windows操作系統(tǒng)為平臺(tái)，用PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)插件形式的運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放。

系統(tǒng)采用在PC機(jī)的擴(kuò)展槽中插入PCI-8132型運(yùn)動(dòng)控制卡的方案，由PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、直線電機(jī)、數(shù)控工作臺(tái)等部分組成。其中，數(shù)控工作臺(tái)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服控制和機(jī)床邏輯控制均由運(yùn)動(dòng)控制器完成，運(yùn)動(dòng)控制器可編程，以運(yùn)動(dòng)子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序（G代碼等，支持用戶擴(kuò)展）。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運(yùn)動(dòng)控制卡。它能產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，控制2個(gè)軸的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)。在數(shù)控加工中，提供位置反饋。當(dāng)今的工業(yè)控制技術(shù)中PCI總線漸漸地取代了ISA總線，成為主流總線形式。

（三）采用直線電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)。采用模塊化程序設(shè)計(jì)，由用戶輸入輸出界面、預(yù)處理模塊等組成。用戶輸入輸出界面實(shí)現(xiàn)用戶的輸入、系統(tǒng)的輸出。用戶輸入的主要功能是讓用戶輸入數(shù)控代碼，發(fā)出控制命令，進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)配置，生成數(shù)控機(jī)床零件加工程序（G代碼指令）。預(yù)處理模塊讀取G代碼指令后，通過(guò)編譯生成能夠讓PCI-8132運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)行的程序，從而驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，完成直線或圓弧插補(bǔ)。讀取G代碼的過(guò)程是首先進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，然后讀取G代碼。

四、結(jié)束語(yǔ)

采用直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)已在不同種類(lèi)的機(jī)床上得到應(yīng)用。直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，具有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。過(guò)去人們所擔(dān)心的直線電機(jī)推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護(hù)等問(wèn)題，隨著電機(jī)制造技術(shù)的改進(jìn)，有關(guān)問(wèn)題相應(yīng)解決。而驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，配以合理的機(jī)床設(shè)計(jì)，完全可以設(shè)計(jì)制造出高性能、高可靠性的數(shù)控機(jī)床。

參考文獻(xiàn)

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[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.

（作者單位：德中（天津）技術(shù)發(fā)展股份有限公司）