直线电机伺服控制技术研究

直线电机伺服控制技术研究

郝思琦

（SEW-传动设备（天津）有限公司天津300457）

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；伺服控制

1.直线电机发展现状

永磁直线同步电机在数控系统及生产生活中已广泛运用，直线电机的发展经过了160年的历程，到1971年开始投入到开发阶段，并进入实用商品阶段，国外一些国家对直线电机的研究越来越感兴趣，随着科技的发展，到90年代之后，直线电机作为系统进入工业生产中，后来被运用于不同的领域，而且越来越深受人们的推崇，直线电机目前具有不可估摸的发展前景。

由于直线电机具有装置简单可靠、直线速度可以不受任何限制、机械损耗小、噪声小、应用场合广、散热性能好、使用灵活性较大、节能环保等优点，直线电机在国外应用非常广泛，但在国内发展还需进一步地研究，虽然有一些院校在直线电机方面进行深入研究，但在投入使用方面还要进一步发展，不断创新，提高直线电机及其伺机系统的控制领域的水平，减小与其他国家在这一方面差距。

2.伺机系统

伺机系统是指按照控制信号的要求而动作：控制信号到来之前，被控制对象是静止不动的；接收到控制信号后，被控制对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控制对象又能自行停止。正是基于执行机构这一特点，我们称之为伺机系统。伺机系统主要是根据信号要求而进行运作，这在一定程度上对直线电机的速度及效率上有所改进和提高。

3.直线电机的工作原理

在传统意义上，一般应用于工业上的都是旋转电机，但随着科学技术和电子计算机的发展，直线电机将逐渐取代旋转电机，它是旋转电机的一种演变和延伸，从直观图形看，可以想象将一台旋转电机沿着它的内径切开，然后舒展成平面图，将圆周面摊开，这样就形成了直线电机的平面图（如图1），这就减少了旋转电机在旋转过程中因旋转而造成的消耗运动，直线电机提高了运行的速度和效率。

直线电机的分类有很多，永磁直线同步电机主要是运用高能电磁体，具有控制快，效率高、速度快等特点，永磁直线同步单机可分为平面型和圆筒型，工作原理都是将初级制成动子，次级的永磁体作为定子，在初级绕组通入交流电源，则在气隙中产生行波磁场。次级在行波磁场的切割下，产生感应电动势从而产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力的作用下做直线运动；反之，次级固定，则初级作直线运动。直线电机就这样把电能直接转变为直线运动的机械能而无需任何中间变换装置。

4.直线电机的结构

永磁同步直线电机的基本结构

永磁同步直线电机的基本结构：在其定子上均匀地安装N、S永磁体；动子上开有齿槽，在齿槽里安装电枢绕组；直线导轨安装在定子上，动子可沿导轨运动。

由于永磁同步直线电机特殊的直线结构，使得永磁同步直线电机可以消除机械传动链的影响，所以在要求高速、高精和快响应的应用场合（如高效凸轮轴磨床）具有显著优势，但永磁同步直线电机由于省去了中间传动环节，各种干扰因素以及负载力直接作用于电机上，增加了控制难道，因而要选择合适的控制策略对各种扰动进行抑制，以获得满意的控制效果。

5.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。

6.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。

参考文献：

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