王慧靜 中國電子科技集團公司第五十四研究所

直線電機伺服控制技術(shù)研究

王慧靜 中國電子科技集團公司第五十四研究所

相較于旋轉(zhuǎn)電機，直線電機能夠直接將電能轉(zhuǎn)化為直線運動而不需要借助任何中間傳動環(huán)節(jié)，能夠滿足高精數(shù)控系統(tǒng)和精密測量等諸多應用場合的需求，但這種控制方式由于消除了旋轉(zhuǎn)電機的中間傳動機械鏈，負載變化直接作用于直線電機，所以使精確控制變地更難以實現(xiàn)。本文通過構(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伺服系統(tǒng)提供了一定的指導與借鑒價值。

直線電機 速度環(huán) 伺服控制

1 引言

在許多要求高速、高精度和快速響應等控制領(lǐng)域，被控對象往往要求具有很高的傳動精度和可靠性，而旋轉(zhuǎn)電機因為受機械傳動鏈的拖累，已難以滿足高精數(shù)控系統(tǒng)和精密測量等諸多應用場合的需求。由于直線電機減少了中間環(huán)節(jié)，而且進給行程幾乎不受限制，所以直線電機伺服系統(tǒng)采用了直接驅(qū)動的方式，這種方式具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應快、定位精度高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點，能夠滿足高精數(shù)控系統(tǒng)和精密檢等諸多應用場合的需求，但這種控制方式由于消除了旋轉(zhuǎn)電機的中間傳動機械鏈，負載變化直接作用于直線電機，所以使精確控制變得更難以實現(xiàn)，伺服控制系統(tǒng)必須首先要消除擾動變化帶來的不利影響。

由于直線電機伺服系統(tǒng)是一種具有高度快速性的動態(tài)系統(tǒng)，不可能在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)十分復雜的控制算法，而模糊控制策略通過在速度環(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)的快速響應能力，所以本文在引進模糊控制策略的基礎上，研究搭建出了直線電機伺服控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的控制策略和控制方案進行了探討。

2 永磁同步直線電機的結(jié)構(gòu)和原理

2.1 永磁同步直線電機的基本結(jié)構(gòu)

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

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

2.2 永磁同步直線電機的工作原理

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

3 模糊控制的基本原理

為了實現(xiàn)對直線電機運動的高精度控制，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，因為負載直接作用在電機而產(chǎn)生的擾動，如果僅采用PID控制，則很難滿足系統(tǒng)的快速響應需求。由于模糊控制技術(shù)具有適用范圍廣、對時變負載具有一定的魯棒性的特點，而直線電機伺服控制系統(tǒng)又是一種要求要具有快速響應性并能夠在極短時間內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，所以本文考慮在速度環(huán)設計了PID模糊控制器，利用模糊控制器對電機的速度進行控制，并同電流環(huán)和位置環(huán)的經(jīng)典控制策略一起來實現(xiàn)對直線電機的精確控制。

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)可識別的模糊量，具體包含以下三步：第一，對輸入量進行滿足模糊控制需求的處理；第二，對輸入量進行尺度變換；第三，確定各輸入量的模糊語言取值和相應的隸屬度函數(shù)。②規(guī)則庫。根據(jù)人類專家的經(jīng)驗建立模糊規(guī)則庫。模糊規(guī)則庫包含眾多控制規(guī)則，是從實際控制經(jīng)驗過渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。③模糊推理。主要實現(xiàn)基于知識的推理決策。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)總體方案設計

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算值Iq*和Id*（角標d、q代表d-q旋轉(zhuǎn)坐標系的兩個坐標軸）；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)器進行調(diào)整；第四，將上位步驟得到的信號通過SVPWM技術(shù)進行處理，形成逆變器的PWM信號；最后，控制逆變器輸出需要的信號來控制電機運行。

5 結(jié)束語

直線電機伺服控制技術(shù)在高精度機床加工、高精度定位檢測等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，但是我國在這方面的研究與發(fā)達國家相比還比較薄弱，應用方式也比較單一。本文通過構(gòu)建模糊控制器對電機速度進行控制，獲得了理想的控制結(jié)果，這為發(fā)展高性能的直線電機伺服系統(tǒng)提供了一定的指導價值。

[1]葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京：機械工業(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用[M].武漢：華中科技大學版社，2006

[3]孫宜標.基于模糊自學習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)學報，2001（1）