數(shù)控機(jī)床大推力永磁同步直線電機(jī)控制方法

摘要 以大推力直線電機(jī)及數(shù)控機(jī)床性能測試為背景，對雙邊型大推力永磁同步直線電機(jī)進(jìn)行測試，測試中使用Turbo Pmac Clipper作為運(yùn)動控制器，對直線電機(jī)進(jìn)行速度測試。運(yùn)用前饋+PID算法調(diào)節(jié)，盡可能得到設(shè)計的響應(yīng)曲線，并且減小直線電機(jī)跟隨誤差。結(jié)果表明，使用該控制方法能使直線電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)得到良好的動態(tài)及靜態(tài)性能。
關(guān)鍵詞 直線電機(jī)；PMAC；前饋+PID算法

傳統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)如齒輪、蝸輪、皮帶、絲杠、滾珠絲杠、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動機(jī)構(gòu)，容易產(chǎn)生很多如：較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性形變、反向間隙、摩擦、振動、磨損等問題，所以不僅減小了傳動效率，而且還增加了成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。雖然這些傳動機(jī)構(gòu)性能已經(jīng)得到了改善，但是其間接傳動的本質(zhì)不能從根本上解決。于是“直接驅(qū)動”概念應(yīng)運(yùn)而生，直接驅(qū)動是指不使用任何中間傳動機(jī)構(gòu)，直接將動力源與負(fù)載相連進(jìn)行驅(qū)動。這種傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、速度和加速度大、精度高、振動和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。
直線電機(jī)就是直接驅(qū)動的裝置，其中控制技術(shù)是直線電動機(jī)設(shè)計和應(yīng)用的重點(diǎn)。PID調(diào)節(jié)是最早出現(xiàn)的一種自動控制方法，控制簡單而且效果顯著。尤其是在高精度運(yùn)動控制中，運(yùn)用多閉環(huán)控制已經(jīng)越來越廣泛，伺服系統(tǒng)一般是三環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)為位置環(huán)，內(nèi)環(huán)依次為速度環(huán)、電流環(huán)。電機(jī)三環(huán)控制框圖如圖1所示。但是傳統(tǒng)的PID控制算法不能對摩擦力、負(fù)載擾動等外界干擾及時消除，直線電機(jī)對負(fù)載擾動、摩擦力敏感，極易產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差，降低了控制精度。基于以上問題，提出抗干擾較強(qiáng)的PID+前饋算法，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種控制方法可以提高控制精度。

1 直線電機(jī)運(yùn)動控制原理
直線電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制，使用Renishaw高精度直線光柵尺作為位置反饋元件，安裝于電機(jī)平臺底部，與平臺固定為一體，由于沒有與電機(jī)直接接觸，不會對直線電機(jī)運(yùn)動產(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(jù)光柵尺反饋的脈沖信號即可計算直線電機(jī)當(dāng)前位置，由控制器的PID調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)位移與實(shí)際位移的差值自動調(diào)節(jié)電機(jī)的控制參數(shù)，完成所需的進(jìn)給。閉環(huán)控制原理，如圖2所示。

PMAC控制的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個高速動態(tài)系統(tǒng)，復(fù)雜的控制算法無法在如此短的時間內(nèi)完成伺服計算，所應(yīng)該采用計算量比較小的伺服算法。傳統(tǒng)的PID環(huán)節(jié)是偏差控制器，被控制量需要偏離設(shè)定值才能通過偏差進(jìn)行控制，存在一定的滯后性；由于系統(tǒng)受到擾動，再加上系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化而產(chǎn)生的誤差，不能在閉環(huán)系統(tǒng)中消除，所以需要對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，抵消擾動對系統(tǒng)的影響，即所謂的擾動補(bǔ)償?？刂瓶驁D如圖3所示。

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

式(1)說明，當(dāng)前饋函數(shù)滿足F(s)=Gp(s)-1時，誤差函數(shù)為0，則C(s)=R(s)。說明無論輸入信號如何變化，系統(tǒng)的誤差始終為0。前饋補(bǔ)償比只按誤差控制的閉環(huán)系統(tǒng)效果好。通常前饋微分階次為2時即可獲得滿意的控制效果。