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数控机床大推力永磁同步直线电机控制方法

  性能测试为背景,对双边型大进行测试,测试中使用Turbo Pmac Clipper作为运动器,对进行速度测试。运用前馈+PID算法调节,尽可能得到设计的响应曲线,并且减小直线电机跟随误差。型号电机霍尔结果表明,使用该能使直线电机的进给系统得到良好的动态及静态性能。

  传统的传动机构如齿轮、蜗轮、皮带、丝杠、滚珠丝杠、联轴器、离合器等中间传动机构,容易产生很多如:较大的转动惯量、弹性形变、反向间隙、型号电机霍尔摩擦、振动、磨损等问题,所以不仅减小了传动效率,而且还增加了成本,降低了系统的可靠性。虽然这些传动机构性能已经得到了改善,但是其间接传动的本质不能从根本上解决。于是“直接驱动”概念应运而生,直接驱动是指不使用任何中间传动机构,直接将动力源与负载相连进行驱动。这种传动具有结构简单、动态响应快、速度和加速度大、精度高、振动和噪声小等优点。

  直线电机就是直接驱动的装置,其中控制技术是直线电动机设计和应用的重点。PID调节是最早出现的一种自动控制方法,控制简单而且效果显著。尤其是在高精度运动控制中,运用多闭环控制已经越来越广泛,伺服系统一般是三环系统,外环为位置环,内环依次为速度环、电流环。电机三环控制框图如图1所示。但是传统的PID控制算法不能对摩擦力、负载扰动等外界干扰及时消除,直线电机对负载扰动、摩擦力敏感,极易产生较大的稳态误差,降低了控制精度。基于以上问题,提出抗干扰较强的PID+前馈算法,并用实验验证这种控制方法可以提高控制精度。

  直线电机进给机构采用闭环控制,使用Renishaw高精度直线光栅尺作为位置反馈元件,安装于电机平台底部,与平台固定为一体,由于没有与电机直接接触,不会对直线电机运动产生磨擦力。光栅反馈信号首先进入放大器编码器输入端口,并由放大器的等量输出端口反馈到PMAC卡,组成双闭环反馈,根据光栅尺反馈的脉冲信号即可计算直线电机当前位置,由控制器的PID调节器根据目标位移与实际位移的差值自动调节电机的控制参数,完成所需的进给。闭环控制原理,如图2所示。

  PMAC控制的直线电机伺服系统是一个高速动态系统,复杂的控制算法无法在如此短的时间内完成伺服计算,所应该采用计算量比较小的伺服算法。传统的PID环节是偏差控制器,被控制量需要偏离设定值才能通过偏差进行控制,存在一定的滞后性;由于系统受到扰动,再加上系统本身结构和参数的变化而产生的误差,不能在闭环系统中消除,所以需要对系统进行补偿,抵消扰动对系统的影响,即所谓的扰动补偿。控制框图如图3所示。

  图3为带前馈的控制结构框图,其中,R(s)为系统输入;E(s)为系统误差;C(s)为系统的输出;G(s)为PID控制器传递函数;Gp(s)为被控对象的传递函数;F(s)为前馈环节的传递函数。得出带前馈的系统误差传递函数

  式(1)说明,当前馈函数满足F(s)=Gp(s)-1时,误差函数为0,则C(s)=R(s)。说明无论输入信号如何变化,系统的误差始终为0。前馈补偿比只按误差控制的闭环系统效果好。通常前馈微分阶次为2时即可获得满意的控制效果。

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