有关机床大推力永磁同步直线电机的控制方法研究

王红亮，赵国涛

中捷机床有限公司，辽宁 沈阳 110141

传统的中间传动结构较易出现大的振动、弹性形变等诸多问题，这不但没有提高生产效率，反而增加了生产成本。即使该部分传动机构性能在很大程度上得到了改进，但从本质上来讲，其间接传动没有得到解决。此时“直接驱动”的相关性概念就诞生了。该种传动具有噪声小、精度较高、结构装备简单等诸多方面的特点。所谓直线电机，即为直接驱动的一种配置，其中的控制技术就是直线电动机在运用与设计方面的关键与核心所在。通常情况下，伺服系统由内环—电流环和速度环、外环—位置环组成。然而，传统的PID控制算法在很大程度上对一些外界干扰不能及时的进行消除，直线电机对摩擦力以及负载扰动十分敏感，在很大程度上较易产生大的稳态误差，进而降低了控制上的精度。由于上述几个方面的原因，提出了一种抗干扰较强的一种算法—PID+前馈算法，通过对该种控制法进行运用进而提高控制的精度。

1 直线电机运动控制的原理分析

闭环控制在直线电机进给机构上得到了广泛的运用，将Renishaw高精度直线光栅尺视为位置反馈的一种元件，将其在电机平台的底部进行安装，和平台绑为一个整体，因为和电机之间不存在直接性接触的关系，所以对直线电机的运动不会有任何的摩擦力发生。首先，光栅反馈信号在放大器编码器的输入口进入，同时经过放大器的等量输出口将信息反馈到PMAC卡上，构成双闭环反馈形式，依据光栅尺反馈的一些信息便能对直线电机目前所处的位置进行计算，通过PID调节器，以目标、实际位移之间的差值为依据，对电机的相关控制参数进行自动的调节，实现所需的进给要求。

有关PMAC控制的一些直线电机伺服系统从状态上来讲就是一个快速动态系统，抽象、繁琐的控制算法在短时间里根本无法实现伺服的相关计算，因此，有必要运用计算量不大的伺服算法。由于传统意义上的PID环节是一种偏差控制器，只有当被控制量和设定值之间出现偏差时方可进行相应的控制，所以，在一定程度上存在着不足和缺陷；因为系统经常受到一些扰动，同时又由于系统自身参数与结构的一些变化致使出现的一些误差，在闭环系统中不可对这些因素进行消除，基于以上原因，有必要对系统进行相应的补偿，消除由于扰动对系统造成的一些影响，这就是通常所说的扰动补偿。

在PMAC算法控制结构中，系统刚度由比例增益（Kp）提供；系统所需阻尼由微分增益提供（Kd）；由于阻尼所造成的一些跟随误差通过速度前馈增益（Kvff）来减小；通过积分增益（Ki）对稳态误差进行消除；由于系统惯性所造成的一些跟随误差通过加速度前馈增益（Kaff）来减小。

在带前馈补偿PID闭环控制结构中，系统误差即为E（s）；系统输入即为R（s）；系统输出用 C（s）代表；PID控制器的传递函数用 G（s）代表；被控制对象的一个传递函数用Gp（s）代表；前馈环节的一个传递函数用F（s）代表。得出以下公式:

从(1)式中可以看出，当F（s）=Gp（s）-1 时，误差函数值等于零，那么C（s）等于R（s）。这就说明不管输入信号怎样的变化，系统误差一直都是零。仅仅按照误差控制的闭环系统其效果要比前馈补偿差。通常情况下，当前馈微分阶次达到2阶次时便能获得一个比较理想的控制效果。以传统的PID控制算法为基础，PMAC又更新了两项控制，即加速度与速度前馈控制，加速度前馈主要用于最大限度的减小由于系统惯性而造成的一些跟随误差，速度前馈主要用于最大程度的减小因引入微分增益而造成的一些跟随误差。

2 实验用直线电机概述

该种电机主要在龙门五轴加工中心立柱中进行运用，其最大推力可达到12000牛，最高速度可以达到1m/s左右，最低速度可以降到1m·min-1。该种电机是供给直线进给的一个最佳系统，其具有运行速度范围宽和运行推力大等诸多优点。直线电机的下部呈次级板，其构成架构为U型，次级长、宽、高分别为1.32m、0.26m、0.17m，其材料由ZG35铸造形成，表面上镀锌一层，S级、N级磁钢相互交替紧贴在次级的表面，同时要使同一极板的两侧极性方向相反，采用分隔条将位于同一侧的两个相邻磁钢分开，用胶将其粘牢并稳固后，采用灌环氧树脂将其进行密封，最后形成一个整体。

3 直线电机的测试实验分析和研究

PMAC执行应用程序Pewin进而提供了一种调节PID参数的用具-PMAC Tuning Pro，这样一来便可简捷的对PID参数进行调节。开启Pewin首先对开环特性进行相应的调节，当其调整结束之后，对稳态特性进行调整，分别对PID参数当中的积分、比例、微分增益进行相应的调节，致使阶跃响应曲线的稳态误差达到零，超调量不应当太大，进而得出一个较为理想的误差曲线。最后对动态特性进行相应的调节，将正弦信号视为输入调节系统的一种跟随误差，以正弦响应曲线为依据，对加速度、速度的前馈系数进行适当的调整，致使跟随误差降到最低，进而得到一个比较满意的动态响应曲线。

经过周期性的调试和比较，得出阶跃响应曲线。系统存在一个比较理想的阶跃响应曲线，这就证明了PMAC 卡在一定程度上对直线电机有较好的控制效果。当系统处于稳定状态时，给定速度达到10in·min-1时实际速度和给定速度之间的一个对比曲线。通过计算，其速度波动满足误差所允许的范围。

4 结论

前馈+PID 控制方案的提出是以直线电机的一些特点为依据进行的，通过对该控制方案的运用，在一定程度上使得直线电机具有一个小跟随误差与理想的速度稳定性。

[1]叶云岳直线电机的原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000．

[2]黄笑天，张建明，庞长涛，等.微铣削系统中直线电机的应用研究[J].航空精密制造技术，2007，43(2)：21-23.