直线电机伺服控制技术研究
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相较于旋转电机，直线电机能够直接将电能转化为直线运动而不需要借助任何中间传动环节，能够满足高精数控系统和精密测量等诸多应用场合的需求，但这种控制方式由于消除了旋转电机的中间传动机械链，负载变化直接作用于直线电机，所以使精确控制变地更难以实现。本文通过构建速度环模糊 PID 控制器，获得了满意的控制效果，这为发展高性能的直线电机伺服系统提供了一定的指导与借鉴价值。 1 引言 在许多要求高速、高精度和快速响应等控制领域，被控对象往往要求具有很高的传动精度和可靠性，而旋转电机因为受机械传动链的拖累，已难以满足高精数控系统和精密测量等诸多应用场合的需求。由于直线电机减少了中间环节，而且进给行程几乎不受限制，所以直线电机伺服系统采用了直接驱动的方式，这种方式具有结构简单、动态响应快、定位精度高、调速范围广等优点，能够满足高精数控系统和精密检等诸多应用场合的需求，但这种控制方式由于消除了旋转电机的中间传动机械链，负载变化直接作用于直线电机，所以使精确控制变地更难以实现，伺服控制系统必须首先要消除扰动变化带来的不利影响。 由于直线电机伺服系统是一种具有高度快速性的动态系统，不可能在极短的时间内实现十分复杂的控制算法，而模糊控制策略通过在速度环的 PID 控制中引入模糊控制技术，在位置环采用经典 PID 控制，可以极大地提高系统的快速响应能力，所以本文在引进模糊控制策略的基础上，研究搭建出了直线电机伺服控制系统，并对系统的控制策略和控制方案进行了探讨。 2 永磁同步直线电机的结构和原理 2.1 永磁同步直线电机的基本结构 永磁同步直线电机的基本结构：在其定子上均匀地安装N、S永磁体;动子上开有齿槽，在齿槽里安装电枢绕组;直线导轨安装在定子上，动子可沿导轨运动。 由于永磁同步直线电机特殊的直线结构，使得永磁同步直线电机可以消除机械传动链的影响，所以在要求高速、高精和快响应的应用场合(如高效凸轮轴磨床)具有显着优势，但永磁同步直线电机由于省去了中间传动环节，各种干扰因素以及负载力直接作用于电机上，增加了控制难道，因而要选择合适的控制策略对各种扰动进行抑制，以获得满意的控制效果。 2.2 永磁同步直线电机的工作原理 永磁同步直线电机的基本工作原理可以被认为是将一台旋转电机沿着半径方向剖开，然后将电机的圆周展成直线而形成的。此时的气隙磁场即可看成沿展开的直线方向呈正弦分布，即行波磁场;而行波磁场与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力以促使动子作直线运动。 3 模糊控制策略分析 3.1 模糊控制的基本原理 为了实现对直线电机运动的高精度控制，系统采用全闭环的控制策略，但在系统的速度环控制中，因为负载直接作用在电机而产生的扰动，如果仅采用 PID 控制，则很难满足系统的快速响应需求。由于模糊控制技术具有适用范围广、对时变负载具有一定的鲁棒性的特点，而直线电机伺服控制系统又是一种要求要具有快速响应性并能够在极短时间内实现动态调节的系统，所以本文考虑在速度环设计了PID模糊控制器，利用模糊控制器对电机的速度进行控制，并同电流环和位置环的经典控制策略一起来实现对直线电机的精确控制。 模糊控制器包括四部分：(1)模糊化。主要作用是选定模糊控制器的输入量，并将其转换为系统可识别的模糊量，具体包含以下三步：第一，对输入量进行满足模糊控制需求的处理;第二，对输入量进行尺度变换;第三，确定各输入量的模糊语言取值和相应的隶属度函数。(2)规则库。根据人类专家的经验建立模糊规则库。模糊规则库包含众多控制规则，是从实际控制经验过渡到模糊控制器的关键步骤。(3)模糊推理。主要实现基于知识的推理决策。(4)解模糊。主要作用是将推理得到的控制量转化为控制输出。 3.2 速度环模糊控制器设计 首先，将速度误差E和偏差变化率 ΔE都进行模糊量化处理，将量化后的数据作为模糊控制器的两个输入;然后，根据模糊规则进行模糊推理，并将推理后的模糊值解模糊化后再乘以比例因子转换为ΔKp、ΔKi、ΔKd;第三，将步骤2得到的值与原值做加运算得到最新的一组 PID 值;最后，根据新的PID值求得控制程度u (t)，完成控制任务。 4 控制系统总体方案设计 首先，将采用经典PID控制的位置环处理后得到值作为给定速度信号V*;然后将速度反馈值V 与V*的差值经由速度环模糊控制器输出电流矢量的计算值Iq*和Id*(角标d、q代表d-q旋转坐标系的两个坐标轴);第三，将电流反馈值Iq、Id与指令值 Iq*、Id*的差值分别由q轴和d轴的电流调节器进行调整;第四，将上位步骤得到的信号通过SVPWM技术进行处理，形成逆变器的 PWM 信号;最后，控制逆变器输出需要的信号来控制电机运行。 5 结束语 直线电机伺服控制技术在高精度机床加工、高精度定位检测等许多领域得到了广泛的应用，但是我国在这方面的研究与发达国家相比还比较薄弱，应用方式也比较单一。本文通过构建模糊控制器对电机速度进行控制，获得了理想的控制结果，这为发展高性能的直线电机伺服系统提供了一定的指导价值。 |
