蘇錦智，盧彥林（.包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司； .包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 04030）

永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略探究

蘇錦智1，盧彥林2
（1.包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司； 2.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

隨著科技的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的性能也具有越來越高的要求，直線電機(jī)取代了以往的旋轉(zhuǎn)電機(jī)成為工業(yè)生產(chǎn)中的主要組成部分，由于永磁直線同步電機(jī)直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，它取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)在中途轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所消耗的運(yùn)動(dòng)，所以它具有速度高、精準(zhǔn)度高、智能環(huán)保等特征。本文將從永磁直線同步電機(jī)的工作原理、控制策略以及其伺服系統(tǒng)的軟件開發(fā)等方面進(jìn)行了探究。

永磁直線同步電機(jī)；直線電機(jī)；工作原理；控制策略；伺機(jī)系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁直線同步電機(jī)因其高速度、高精確以及其控制方便、驅(qū)動(dòng)能源較易獲取、環(huán)保無公害等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)和一些高密數(shù)字測(cè)量等場(chǎng)合，但永磁直線同步電機(jī)在運(yùn)作過程中也極易受到外部干擾而影響參數(shù)，因此本文將從永磁直線同步電機(jī)的原理分析，對(duì)矢量控制進(jìn)行研究搭建直線矢量控制系統(tǒng)，對(duì)永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的擾動(dòng)進(jìn)行分析。

1　直線電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

永磁直線同步電機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)及生產(chǎn)生活中已廣泛運(yùn)用，直線電機(jī)的發(fā)展經(jīng)過了160年的歷程，到1971年開始投入到開發(fā)階段，并進(jìn)入實(shí)用商品階段，國(guó)外一些國(guó)家對(duì)直線電機(jī)的研究越來越感興趣，隨著科技的發(fā)展，到90年代之后，直線電機(jī)作為系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)中，后來被運(yùn)用于不同的領(lǐng)域，而且越來越深受人們的推崇，直線電機(jī)目前具有不可估摸的發(fā)展前景。

由于直線電機(jī)具有裝置簡(jiǎn)單可靠、直線速度可以不受任何限制、機(jī)械損耗小、噪聲小、應(yīng)用場(chǎng)合廣、散熱性能好、使用靈活性較大、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，直線電機(jī)在國(guó)外應(yīng)用非常廣泛，但在國(guó)內(nèi)發(fā)展還需進(jìn)一步地研究，雖然有一些院校在直線電機(jī)方面進(jìn)行深入研究，但在投入使用方面還要進(jìn)一步發(fā)展，不斷創(chuàng)新，提高直線電機(jī)及其伺機(jī)系統(tǒng)的控制領(lǐng)域的水平，減小與其他國(guó)家在這一方面差距。

2　伺機(jī)系統(tǒng)

伺機(jī)系統(tǒng)是指按照控制信號(hào)的要求而動(dòng)作：控制信號(hào)到來之前，被控制對(duì)象是靜止不動(dòng)的；接收到控制信號(hào)后，被控制對(duì)象則按要求動(dòng)作；控制信號(hào)消失之后，被控制對(duì)象又能自行停止。正是基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)這一特點(diǎn)，我們稱之為伺機(jī)系統(tǒng)。伺機(jī)系統(tǒng)主要是根據(jù)信號(hào)要求而進(jìn)行運(yùn)作，這在一定程度上對(duì)直線電機(jī)的速度及效率上有所改進(jìn)和提高。

3　直線電機(jī)的工作原理

在傳統(tǒng)意義上，一般應(yīng)用于工業(yè)上的都是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，但隨著科學(xué)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，直線電機(jī)將逐漸取代旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種演變和延伸，從直觀圖形看，可以想象將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著它的內(nèi)徑切開，然后舒展成平面圖，將圓周面攤開，這樣就形成了直線電機(jī)的平面圖（如圖1），這就減少了旋轉(zhuǎn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中因旋轉(zhuǎn)而造成的消耗運(yùn)動(dòng)，直線電機(jī)提高了運(yùn)行的速度和效率。

圖1　旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)化為直線電機(jī)過程

直線電機(jī)的分類有很多，永磁直線同步電機(jī)主要是運(yùn)用高能電磁體，具有控制快，效率高、速度快等特點(diǎn)，永磁直線同步單機(jī)可分為平面型和圓筒型，工作原理都是將初級(jí)制成動(dòng)子，次級(jí)的永磁體作為定子，在初級(jí)繞組通入交流電源，則在氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)。次級(jí)在行波磁場(chǎng)的切割下，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從而產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力的作用下做直線運(yùn)動(dòng)；反之，次級(jí)固定，則初級(jí)作直線運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)就這樣把電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能而無需任何中間變換裝置。

4　直線永磁直線同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)的控制策略

直線電機(jī)具有高速度和高效率等許多優(yōu)點(diǎn)，但要將直線電機(jī)的眾多優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，還需要對(duì)直線電機(jī)的伺服系統(tǒng)的控制進(jìn)行嚴(yán)密而精確的研究，目前主要有傳統(tǒng)控制理論運(yùn)用、現(xiàn)代控制理論運(yùn)用和智能控制理論三個(gè)部分的研究，傳統(tǒng)控制理論是運(yùn)用最成熟、最廣泛的策略，但由于直線電機(jī)是個(gè)強(qiáng)耦合的設(shè)備，所以PID控制算法不能達(dá)到解耦，實(shí)現(xiàn)變量的單獨(dú)控制，但這種方式比較實(shí)惠，成本低，對(duì)直線電機(jī)有一定的作用。

現(xiàn)代控制理論相對(duì)于傳統(tǒng)控制理論而言操作更為復(fù)雜，這主要是因?yàn)橹本€電機(jī)的系統(tǒng)比較復(fù)雜，在運(yùn)用過程中有一些不可預(yù)計(jì)的的干擾量會(huì)加大工作量，如直線電機(jī)會(huì)受到溫度的影響等，這就使現(xiàn)代控制理論不能單獨(dú)控制直線電機(jī)。

智能控制理論主要是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制技術(shù)，工作原理就是模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并將專家的一些有效的經(jīng)驗(yàn)融合到直線電機(jī)控制中，模糊控制技術(shù)因其控制精確度高而得到廣泛地應(yīng)用，在應(yīng)用過程中，模糊控制技術(shù)最好跟其他控制系統(tǒng)一起使用才能取得更好的效果。

5　小結(jié)

綜上所述，要研究永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略需要在了解直線電機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，本文主要分析了幾種伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)的干擾因素研究出一種可以應(yīng)用于新的控制系統(tǒng)運(yùn)用于永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)大環(huán)境的要求，永磁直線同步電機(jī)將具有很好的發(fā)展前景和趨勢(shì)，研究直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略也具有一定的意義。

［1］方濤.永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略研究［D］.2015（06）.

［2］張晴.直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在高速精密加工中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006.

［3］葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用［D］.機(jī)械工業(yè)出版社.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.151

蘇錦智，男，工程師，研究方向：稀土永磁電機(jī)及其控制。