有關(guān)機(jī)床大推力永磁同步直線電機(jī)的控制方法研究

王紅亮，趙國濤

中捷機(jī)床有限公司，遼寧 沈陽 110141

傳統(tǒng)的中間傳動結(jié)構(gòu)較易出現(xiàn)大的振動、彈性形變等諸多問題，這不但沒有提高生產(chǎn)效率，反而增加了生產(chǎn)成本。即使該部分傳動機(jī)構(gòu)性能在很大程度上得到了改進(jìn)，但從本質(zhì)上來講，其間接傳動沒有得到解決。此時(shí)“直接驅(qū)動”的相關(guān)性概念就誕生了。該種傳動具有噪聲小、精度較高、結(jié)構(gòu)裝備簡單等諸多方面的特點(diǎn)。所謂直線電機(jī)，即為直接驅(qū)動的一種配置，其中的控制技術(shù)就是直線電動機(jī)在運(yùn)用與設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵與核心所在。通常情況下，伺服系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)—電流環(huán)和速度環(huán)、外環(huán)—位置環(huán)組成。然而，傳統(tǒng)的PID控制算法在很大程度上對一些外界干擾不能及時(shí)的進(jìn)行消除，直線電機(jī)對摩擦力以及負(fù)載擾動十分敏感，在很大程度上較易產(chǎn)生大的穩(wěn)態(tài)誤差，進(jìn)而降低了控制上的精度。由于上述幾個(gè)方面的原因，提出了一種抗干擾較強(qiáng)的一種算法—PID+前饋算法，通過對該種控制法進(jìn)行運(yùn)用進(jìn)而提高控制的精度。

1 直線電機(jī)運(yùn)動控制的原理分析

閉環(huán)控制在直線電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)上得到了廣泛的運(yùn)用，將Renishaw高精度直線光柵尺視為位置反饋的一種元件，將其在電機(jī)平臺的底部進(jìn)行安裝，和平臺綁為一個(gè)整體，因?yàn)楹碗姍C(jī)之間不存在直接性接觸的關(guān)系，所以對直線電機(jī)的運(yùn)動不會有任何的摩擦力發(fā)生。首先，光柵反饋信號在放大器編碼器的輸入口進(jìn)入，同時(shí)經(jīng)過放大器的等量輸出口將信息反饋到PMAC卡上，構(gòu)成雙閉環(huán)反饋形式，依據(jù)光柵尺反饋的一些信息便能對直線電機(jī)目前所處的位置進(jìn)行計(jì)算，通過PID調(diào)節(jié)器，以目標(biāo)、實(shí)際位移之間的差值為依據(jù)，對電機(jī)的相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行自動的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)所需的進(jìn)給要求。

有關(guān)PMAC控制的一些直線電機(jī)伺服系統(tǒng)從狀態(tài)上來講就是一個(gè)快速動態(tài)系統(tǒng)，抽象、繁瑣的控制算法在短時(shí)間里根本無法實(shí)現(xiàn)伺服的相關(guān)計(jì)算，因此，有必要運(yùn)用計(jì)算量不大的伺服算法。由于傳統(tǒng)意義上的PID環(huán)節(jié)是一種偏差控制器，只有當(dāng)被控制量和設(shè)定值之間出現(xiàn)偏差時(shí)方可進(jìn)行相應(yīng)的控制，所以，在一定程度上存在著不足和缺陷；因?yàn)橄到y(tǒng)經(jīng)常受到一些擾動，同時(shí)又由于系統(tǒng)自身參數(shù)與結(jié)構(gòu)的一些變化致使出現(xiàn)的一些誤差，在閉環(huán)系統(tǒng)中不可對這些因素進(jìn)行消除，基于以上原因，有必要對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，消除由于擾動對系統(tǒng)造成的一些影響，這就是通常所說的擾動補(bǔ)償。

在PMAC算法控制結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)剛度由比例增益（Kp）提供；系統(tǒng)所需阻尼由微分增益提供（Kd）；由于阻尼所造成的一些跟隨誤差通過速度前饋增益（Kvff）來減小；通過積分增益（Ki）對穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行消除；由于系統(tǒng)慣性所造成的一些跟隨誤差通過加速度前饋增益（Kaff）來減小。

在帶前饋補(bǔ)償PID閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)誤差即為E（s）；系統(tǒng)輸入即為R（s）；系統(tǒng)輸出用 C（s）代表；PID控制器的傳遞函數(shù)用 G（s）代表；被控制對象的一個(gè)傳遞函數(shù)用Gp（s）代表；前饋環(huán)節(jié)的一個(gè)傳遞函數(shù)用F（s）代表。得出以下公式:

從(1)式中可以看出，當(dāng)F（s）=Gp（s）-1 時(shí)，誤差函數(shù)值等于零，那么C（s）等于R（s）。這就說明不管輸入信號怎樣的變化，系統(tǒng)誤差一直都是零。僅僅按照誤差控制的閉環(huán)系統(tǒng)其效果要比前饋補(bǔ)償差。通常情況下，當(dāng)前饋微分階次達(dá)到2階次時(shí)便能獲得一個(gè)比較理想的控制效果。以傳統(tǒng)的PID控制算法為基礎(chǔ)，PMAC又更新了兩項(xiàng)控制，即加速度與速度前饋控制，加速度前饋主要用于最大限度的減小由于系統(tǒng)慣性而造成的一些跟隨誤差，速度前饋主要用于最大程度的減小因引入微分增益而造成的一些跟隨誤差。

2 實(shí)驗(yàn)用直線電機(jī)概述

該種電機(jī)主要在龍門五軸加工中心立柱中進(jìn)行運(yùn)用，其最大推力可達(dá)到12000牛，最高速度可以達(dá)到1m/s左右，最低速度可以降到1m·min-1。該種電機(jī)是供給直線進(jìn)給的一個(gè)最佳系統(tǒng)，其具有運(yùn)行速度范圍寬和運(yùn)行推力大等諸多優(yōu)點(diǎn)。直線電機(jī)的下部呈次級板，其構(gòu)成架構(gòu)為U型，次級長、寬、高分別為1.32m、0.26m、0.17m，其材料由ZG35鑄造形成，表面上鍍鋅一層，S級、N級磁鋼相互交替緊貼在次級的表面，同時(shí)要使同一極板的兩側(cè)極性方向相反，采用分隔條將位于同一側(cè)的兩個(gè)相鄰磁鋼分開，用膠將其粘牢并穩(wěn)固后，采用灌環(huán)氧樹脂將其進(jìn)行密封，最后形成一個(gè)整體。

3 直線電機(jī)的測試實(shí)驗(yàn)分析和研究

PMAC執(zhí)行應(yīng)用程序Pewin進(jìn)而提供了一種調(diào)節(jié)PID參數(shù)的用具-PMAC Tuning Pro，這樣一來便可簡捷的對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。開啟Pewin首先對開環(huán)特性進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，當(dāng)其調(diào)整結(jié)束之后，對穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行調(diào)整，分別對PID參數(shù)當(dāng)中的積分、比例、微分增益進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，致使階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到零，超調(diào)量不應(yīng)當(dāng)太大，進(jìn)而得出一個(gè)較為理想的誤差曲線。最后對動態(tài)特性進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，將正弦信號視為輸入調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種跟隨誤差，以正弦響應(yīng)曲線為依據(jù)，對加速度、速度的前饋系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，致使跟隨誤差降到最低，進(jìn)而得到一個(gè)比較滿意的動態(tài)響應(yīng)曲線。

經(jīng)過周期性的調(diào)試和比較，得出階躍響應(yīng)曲線。系統(tǒng)存在一個(gè)比較理想的階躍響應(yīng)曲線，這就證明了PMAC 卡在一定程度上對直線電機(jī)有較好的控制效果。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，給定速度達(dá)到10in·min-1時(shí)實(shí)際速度和給定速度之間的一個(gè)對比曲線。通過計(jì)算，其速度波動滿足誤差所允許的范圍。

4 結(jié)論

前饋+PID 控制方案的提出是以直線電機(jī)的一些特點(diǎn)為依據(jù)進(jìn)行的，通過對該控制方案的運(yùn)用，在一定程度上使得直線電機(jī)具有一個(gè)小跟隨誤差與理想的速度穩(wěn)定性。

[1]葉云岳直線電機(jī)的原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

[2]黃笑天，張建明，龐長濤，等.微銑削系統(tǒng)中直線電機(jī)的應(yīng)用研究[J].航空精密制造技術(shù)，2007，43(2)：21-23.