數控機床大推力永磁同步直線(xiàn)電機控制方法

摘要 以大推力直線(xiàn)電機及數控機床性能測試為背景，對雙邊型大推力永磁同步直線(xiàn)電機進(jìn)行測試，測試中使用Turbo Pmac Clipper作為運動(dòng)控制器，對直線(xiàn)電機進(jìn)行速度測試。運用前饋+PID算法調節，盡可能得到設計的響應曲線(xiàn)，并且減小直線(xiàn)電機跟隨誤差。結果表明，使用該控制方法能使直線(xiàn)電機的進(jìn)給系統得到良好的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能。
關(guān)鍵詞 直線(xiàn)電機；PMAC；前饋+PID算法

傳統的傳動(dòng)機構如齒輪、蝸輪、皮帶、絲杠、滾珠絲杠、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)機構，容易產(chǎn)生很多如：較大的轉動(dòng)慣量、彈性形變、反向間隙、摩擦、振動(dòng)、磨損等問(wèn)題，所以不僅減小了傳動(dòng)效率，而且還增加了成本，降低了系統的可靠性。雖然這些傳動(dòng)機構性能已經(jīng)得到了改善，但是其間接傳動(dòng)的本質(zhì)不能從根本上解決。于是“直接驅動(dòng)”概念應運而生，直接驅動(dòng)是指不使用任何中間傳動(dòng)機構，直接將動(dòng)力源與負載相連進(jìn)行驅動(dòng)。這種傳動(dòng)具有結構簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應快、速度和加速度大、精度高、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。
直線(xiàn)電機就是直接驅動(dòng)的裝置，其中控制技術(shù)是直線(xiàn)電動(dòng)機設計和應用的重點(diǎn)。PID調節是最早出現的一種自動(dòng)控制方法，控制簡(jiǎn)單而且效果顯著(zhù)。尤其是在高精度運動(dòng)控制中，運用多閉環(huán)控制已經(jīng)越來(lái)越廣泛，伺服系統一般是三環(huán)系統，外環(huán)為位置環(huán)，內環(huán)依次為速度環(huán)、電流環(huán)。電機三環(huán)控制框圖如圖1所示。但是傳統的PID控制算法不能對摩擦力、負載擾動(dòng)等外界干擾及時(shí)消除，直線(xiàn)電機對負載擾動(dòng)、摩擦力敏感，極易產(chǎn)生較大的穩態(tài)誤差，降低了控制精度?；谝陨蠁?wèn)題，提出抗干擾較強的PID+前饋算法，并用實(shí)驗驗證這種控制方法可以提高控制精度。

1 直線(xiàn)電機運動(dòng)控制原理
直線(xiàn)電機進(jìn)給機構采用閉環(huán)控制，使用Renishaw高精度直線(xiàn)光柵尺作為位置反饋元件，安裝于電機平臺底部，與平臺固定為一體，由于沒(méi)有與電機直接接觸，不會(huì )對直線(xiàn)電機運動(dòng)產(chǎn)生磨擦力。光柵反饋信號首先進(jìn)入放大器編碼器輸入端口，并由放大器的等量輸出端口反饋到PMAC卡，組成雙閉環(huán)反饋，根據光柵尺反饋的脈沖信號即可計算直線(xiàn)電機當前位置，由控制器的PID調節器根據目標位移與實(shí)際位移的差值自動(dòng)調節電機的控制參數，完成所需的進(jìn)給。閉環(huán)控制原理，如圖2所示。

PMAC控制的直線(xiàn)電機伺服系統是一個(gè)高速動(dòng)態(tài)系統，復雜的控制算法無(wú)法在如此短的時(shí)間內完成伺服計算，所應該采用計算量比較小的伺服算法。傳統的PID環(huán)節是偏差控制器，被控制量需要偏離設定值才能通過(guò)偏差進(jìn)行控制，存在一定的滯后性；由于系統受到擾動(dòng)，再加上系統本身結構和參數的變化而產(chǎn)生的誤差，不能在閉環(huán)系統中消除，所以需要對系統進(jìn)行補償，抵消擾動(dòng)對系統的影響，即所謂的擾動(dòng)補償?？刂瓶驁D如圖3所示。

圖3為帶前饋的控制結構框圖，其中，R(s)為系統輸入；E(s)為系統誤差；C(s)為系統的輸出；G(s)為PID控制器傳遞函數；Gp(s)為被控對象的傳遞函數；F(s)為前饋環(huán)節的傳遞函數。得出帶前饋的系統誤差傳遞函數

式(1)說(shuō)明，當前饋函數滿(mǎn)足F(s)=Gp(s)-1時(shí)，誤差函數為0，則C(s)=R(s)。說(shuō)明無(wú)論輸入信號如何變化，系統的誤差始終為0。前饋補償比只按誤差控制的閉環(huán)系統效果好。通常前饋微分階次為2時(shí)即可獲得滿(mǎn)意的控制效果。