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直线电机伺服控制技术研究

范文

杨飞

摘要：与旋转电机相比，直线电机可以直接把电能转换为直线运动而无需通过其他中间环节，满足了高精数控系统以及精密测量等各类应用的需要，不过该种控制方式因为除去了旋转电机的中间传动机械链，负载直接作用到直线电机，因此就更加难以实现精确控制。本文对直线电机伺服控制技术展开探讨。

关键词：直线电机；速度环；伺服控制

中图分类号：TG661 文献标识码：A

在某些控制领域需要实现高速率、高准确度以及迅速反应等，被控目标常常需要具备一定的传动准确度以及可靠性，而旋转电机由于受到机械传动链的影响，达不到数控装置以及高精检测等各类应用的需求。因为直线电机无需通过中间环节，且进给流程近乎不受影响，因此直线电机伺服系统应用了直接驱动的方法，该种方法有着以下特点，组成简单、反应迅速、准确度高、适用范围广等，可以满足数控装置以及高精检测等各类应用的需求，不过这类控制方法因为除去了旋轉电机的中部传动机械链，负载改变直接作用到直线电机，因此就更加难以实现精确控制，伺服控制系统必须排除干扰影响所造成的不利因素。

因为直线电机伺服系统是一类有着非常快速性的动态系统，难以在非常短暂的时间段内进行较为复杂的控制运算，而模糊控制策略利用在速度环的PID控制中应用模糊控制技术，在位置环应用经典PID控制，能够有效地增强系统的迅速反应能力，因此本文基于模糊控制策略的基础上，对直线电机伺服控制技术进行研究，并对系统的控制策略以及控制方案展开讨论。

一、直线电机控制技术

直线电机也被称作线性电机，线性马达，直线马达等。最为常见的直线电机形式有平板式、U型槽式以及管式。线圈的较为典型的构成是三相，有霍尔元件进行无刷换相。在相关的实际应用中的稳定运行，表明直线电机是能够在生产中放心应用的。那么对于直线电机控制技术的研究主要包括了哪些方面呢？对于直线电机控制技术的研究主要包括了以下3个方面：首先是传统控制技术，其次是现代控制技术，最后是智能控制技术。

传统的控制技术，比如PID反馈控制、解耦控制等技术在交流伺服系统中获得了一定的应用。其中的PID控制，包含动态控制系统中的过去、现在以及未来的相关信息，有着非常强的稳定性，是交流伺服电机驱动设备中最为根本的控制形式。为了改善相应的控制成效，常常应用解耦控制以及矢量控制技术。在项目类型明确、不发生改变而且是线性的以及操作环境、运行条件是明确不变化的前提下，应用传统的控制技术是最为方便快捷的。不过，在高准确度微进给的有关场景下，就需要注意到对象构成以及数据的改变情况。各类非线性的干扰，运行条件的变化以及环境影响等时变与不确定影响，才能获得较为理想的管理成效。所以，现代控制技术在直线伺服电机控制的有关研究中获得了很强的关注度。一般的控制技术包括：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制以及智能控制。当前，重点是把模糊逻辑、神经网络以及PID等已有的已应用的控制技术有机结合起来，扬长避短，以实现最佳的应用效果。

直线电机主要是被应用在以下3个方面：首先是使用在自动控制系统，这一应用机会相对多一些；其次是被当作长时间持续运转的驱动电机；最后是使用到须在较短的时间内、以及较短的距离内给出极大的直线运动能的设备中。

二、永磁同步直线电机的基本构成与运行原理

1.永磁同步直线电机的基本构成

永磁同步直线电机的结构由以下部分组成：在它的定子上相应位置装设N、S永磁体；动子上设置齿槽，在齿槽里装设电枢绕组；在定子上装设直线导轨，动子能够沿着导轨移动。因为永磁同步直线电机特定的构成，使得其能够免除机械传动链的干扰，因此在需要实现高速率、高准确度以及迅速反应等的应用（比如，高效凸轮轴磨床）有着明显的优势，不过因为它去除了中部的传动部分，各类影响因素以及负载力就会直接应用到电机上，提升了控制的困难程度，所以必须选取有效的控制策略来对各类影响做出限制，以实现理想的控制成效。

2.永磁同步直线电机的运行原理

永磁同步直线电机的运行原理，一般能够被看作是把一台旋转电机从半径方位切开，接着把电机的圆周改做直线而实现的。这时候的气隙磁场就能够看作沿着直线方位表现出正弦布局，也就是行波磁场；而它与永磁体的励磁磁场互相产生反应实现电磁推力，以推动动子做直线运动。

三、模糊控制策略探讨

1.模糊控制的实现原理

为了达到对直线电机运动的准确控制，系统应用的是全闭环控制，不过在速度环的控制中，由于负荷直接应用到电机而出现的扰动，假如只应用PID控制，就难以实现系统的迅速反应要求。因为模糊控制技术有着应用领域广泛、对时变负荷有着很好的稳定性的优势，而直线电机伺服控制系统又是一类需要具备迅速反应特性且可以在非常短暂的时间内进行动态调整的系统，因此本文就在速度环设置了PID模糊控制器，使用模糊控制器对电机的速率实现控制，并与电流环、位置环的有效控制策略共同作用来完成对直线电机的准确控制。

模糊控制器由4个部分组成：（1）模糊化。它的作用是选择模糊控制器的输入量，并把它转化为能够被辨识的模糊量，主要包括了如下3个步骤：首先，对输入量实现符合模糊控制需要的处理；其次，对输入量实现尺度转化；最后，明确各个输入量的取值以及相关的函数。（2）规则库。按照专家学者的经验创建模糊规则库。其包括了许多的控制规则，是从事实控制经验发展到模糊控制器的重要环节。（3）模糊推理。目的是进行基于理论的推理判决。（4）解模糊。目的是把上个步骤获得的控制量变换为控制输出。

2.速度环模糊控制器的设计

研究发现，一是，把速率误差E以及偏差变化率ΔE都实现模糊量化反应，把所得到的数值当作模糊控制器的相应输入；二是，按照模糊规则实现模糊推理，并把获得的模糊值进行解模糊，再与比例因子相差变换为ΔKp、ΔKi、ΔKd；三是，把上一步获得的数与原数相加获得新的数值；四是，按照新的PID值计算控制程度u（t），实现控制任务。

四、总体方案设计

一是，把应用常规PID控制的位置环运算后获得的值当作给定速率信号V*；二是，把速率反馈值V和V*的差值通过速度环模糊控制器得到电流矢量的运算值Iq*和Id*（角标d、q表示d-q旋转坐标系的相应坐标轴）；三是，把电流反馈值Iq、Id和指令值Iq*、Id*的差值经由q轴与d轴的电流调整器实现再处理；四是，把在上一步获得的数值利用SVPWM技术来处理，获得逆变器的PWM信号；五是，管控逆变器输出所需的信号来实现电机运转。

结语

直线电机伺服控制技术，在精准机床加工、精准定位测试等各个领域都获得了有效的运用，不过国内在该领域的研究与国际上的发达国家比较还处于弱势，使用方法也相对简单。本文创建模糊控制器对电机速率实现控制，取得了非常好的控制效果，希望为未来高效直线电机伺服系统的研究提供一定的借鉴。

参考文献

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[2]满凯凯，刘子胥.一种改进的永磁直线电机伺服系统的研究[J].现代电子技术，2015，38（5）：129-131.

[3]殷红梅，汪木兰，何川.基于SVPWM的永磁同步直线电动机位置伺服控制策略[J].机械设计与研究，2014，30（1）：72-74.

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