直線電機驅動平臺控制策略的研究

楊赫

摘要：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，所以使精確控制變得更難以實現。本文主要探討在數控機床控制中的有關直線電機驅動平臺控制策略的研究。

關鍵詞：直線電機；驅動平臺；控制策略；研究

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，已難以滿足高精度要求的加工系統、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，能夠滿足高精度要求的加工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，所以使精確控制變得更難以實現。

一、直線電機概述

（一）工作原理

所謂線性馬達又稱為直線電機，是一種將傳統的旋轉電機沿軸線方向切開后，將旋轉電機的初級展開作為直線電機（線性馬達）的定子，次級通電后在電磁力的作用下沿著初級做直線運動，稱為直線電機（線性馬達）的轉子。直線電機作為一種傳動裝置，能夠將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構。

（二）直線電機的特點

根據直線電機概念、原理，認識直線電機應把握以下特點：

（1）進給速度范圍寬。可覆蓋從1mm/s～1m/s及以上的速度范圍，目前成熟的移動控制系統中的直線電機快進速度已達3.5m/s，而傳統機床中移動控制系統的快進速度小于60m/rain，一般為0.3～0.5m/s。

（2）速度特性好。速度偏差可達0.01%以下，加速度大，直線電機最大加速度可達30g，目前加工中心的進給加速度已達3.24g，激光加工設備給加速度已達5g，而傳統機床進給加速度在1g以下，一般為0.3～0.5g。

（3）定位精度高。一般采用光柵尺閉環控制，單軸分辨率一般為0.5μm或0.1μm，其單軸定位精度可達±2μm以內。應用前饋控制的直線電機驅動系統可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化，可實現納米級控制。

（4）行程不受限制。傳統的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般為4～6m，更長的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅動，定子可無限加長，由于定子采用模塊化拼接，組裝工藝簡單，已知的大型高速加工中心Z軸行程大于40m。重要的是，直線電機在較長行程中也能保證高定位精度，使用直線電機的大型設備在3m的行程中單軸定位精度小于10μm。另外，直線電機還具有結構簡單、運動平穩、噪聲小、運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等優點。

二、直線電機的驅動控制技術

一個直線電機應用系統不僅是性能良好的直線電機，還必須是能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。隨著自動控制技術與微計算機技術的發展，直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統控制技術，二是現代控制技術，三是智能控制技術。

傳統的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態控制過程中的過去、現在和未來的信息，而且配置幾乎為最優，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術。

在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環境是確定不變的條件下，采用傳統控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參數的變化。各種非線性的影響，運行環境的改變及環境干擾等時變和不確定因數，才能得到滿意的控制效果。因此，現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。

近年來模糊邏輯控制、神經網絡控制等智能控制方法也被引入直線電動機驅動系統的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經網絡與PID、Hoo控制等現有的成熟的控制方法相結合，取長補短，以獲得更好的控制性能。

三、直線電機的驅動控制技術應用

（一）活塞車削數控系統

在機床進給系統中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環節，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為“零傳動”。正是由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優點。其一，高速響應。由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件（如絲杠等），使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。其二，精度高。直線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。

（二）采用直線電機的開放式數控系統

采用PC機與開放式可編程運動控制器構成數控系統，以通用微機及Windows操作系統為平臺，用PC機上的標準插件形式的運動控制器為控制核心，實現了數控系統的開放。

系統采用在PC機的擴展槽中插入PCI-8132型運動控制卡的方案，由PC機、運動控制卡、伺服驅動器、直線電機、數控工作臺等部分組成。其中，數控工作臺由直線電機驅動，伺服控制和機床邏輯控制均由運動控制器完成，運動控制器可編程，以運動子程序的方式解釋執行數控程序（G代碼等，支持用戶擴展）。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運動控制卡。它能產生高頻脈沖驅動步進電機和伺服電機，控制2個軸的電機運動，實現直線和圓弧插補。在數控加工中，提供位置反饋。當今的工業控制技術中PCI總線漸漸地取代了ISA總線，成為主流總線形式。

（三）采用直線電機數控系統軟件

系統軟件在Windows平臺上開發。采用模塊化程序設計，由用戶輸入輸出界面、預處理模塊等組成。用戶輸入輸出界面實現用戶的輸入、系統的輸出。用戶輸入的主要功能是讓用戶輸入數控代碼，發出控制命令，進行系統的參數配置，生成數控機床零件加工程序（G代碼指令）。預處理模塊讀取G代碼指令后，通過編譯生成能夠讓PCI-8132運動控制卡運行的程序，從而驅動直線電機，完成直線或圓弧插補。讀取G代碼的過程是首先進行參數的設定，然后讀取G代碼。

四、結束語

采用直線電機的數控機床控制技術已在不同種類的機床上得到應用。直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，具有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能。過去人們所擔心的直線電機推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護等問題，隨著電機制造技術的改進，有關問題相應解決。而驅動與控制技術的發展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機及驅動控制系統，配以合理的機床設計，完全可以設計制造出高性能、高可靠性的數控機床。

參考文獻

[1]葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，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.

（作者單位：德中（天津）技術發展股份有限公司）