直線電機伺服控制技術研究

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

相較于旋轉電機，直線電機能夠直接將電能轉化為直線運動而不需要借助任何中間傳動環節，能夠滿足高精數控系統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。本文通過構建速度環模糊PID控制器，獲得了滿意的控制效果，這為發展高性能的直線電機伺服系統提供了一定的指導與借鑒價值。

直線電機 速度環 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，而旋轉電機因為受機械傳動鏈的拖累，已難以滿足高精數控系統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節，而且進給行程幾乎不受限制，所以直線電機伺服系統采用了直接驅動的方式，這種方式具有結構簡單、動態響應快、定位精度高、調速范圍廣等優點，能夠滿足高精數控系統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，伺服控制系統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是一種具有高度快速性的動態系統，不可能在極短的時間內實現十分復雜的控制算法，而模糊控制策略通過在速度環的PID控制中引入模糊控制技術，在位置環采用經典PID控制，可以極大地提高系統的快速響應能力，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，并對系統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構和原理

2.1 永磁同步直線電機的基本結構

永磁同步直線電機的基本結構：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構，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）具有顯著優勢，但永磁同步直線電機由于省去了中間傳動環節，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

為了實現對直線電機運動的高精度控制，系統采用全閉環的控制策略，但在系統的速度環控制中，因為負載直接作用在電機而產生的擾動，如果僅采用PID控制，則很難滿足系統的快速響應需求。由于模糊控制技術具有適用范圍廣、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又是一種要求要具有快速響應性并能夠在極短時間內實現動態調節的系統，所以本文考慮在速度環設計了PID模糊控制器，利用模糊控制器對電機的速度進行控制，并同電流環和位置環的經典控制策略一起來實現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，并將其轉換為系統可識別的模糊量，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。②規則庫。根據人類專家的經驗建立模糊規則庫。模糊規則庫包含眾多控制規則，是從實際控制經驗過渡到模糊控制器的關鍵步驟。③模糊推理。主要實現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化為控制輸出。

4 控制系統總體方案設計

首先，將采用經典PID控制的位置環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*的差值經由速度環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軸的電流調節器進行調整；第四，將上位步驟得到的信號通過SVPWM技術進行處理，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 結束語

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

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