（机械电子工程专业论文）rbf神经网络整定pid控制直线永磁同步电机的研究.pdf

r b f 神经网络整定p i d 控制直线永磁同步电机的研究 摘要 数控机床是机械制造业的主流装备，用数控机床提升传统制造业装备水平的重大 意义，已经成为有关各界人士的共识。特别是随着数控机床加工技术要求不断地实现 高速和超高速化、精密和超精度化，具有高速反应能力的直线伺服进给系统一即“零 传动 方式便应运而生，直线驱动技术在精密定位领域中也得到了广泛的应用。 本文中对直线电机直接驱动系统进行研究，选择直线永磁同步电机为控制对象， 针对直线伺服系统的稳定性和快速性之间的矛盾，主要进行控制方案的优化设计，实 现系统对给定的快速跟踪，对参数变化和阻力扰动最大程度的抑制，提高直线伺服系 统的稳态精度。 直线电机伺服系统与传统的“旋转电机+ 滚珠丝杠进给方式相比，虽然消除 了机械传动链所带来的一些不良影响，但却增加了控制的难度。在要求高精度微进给 的场合，必须站在更高的层次上，考虑更多的摄动与扰动等不确定因素对进给运动的 影响，否则，零传动将失去原来所希望的意义。为了实现高精度高速度的控制结果， 我们需要寻求有效的控制策略。 到目前为止，p i d 控制仍然是历史最久、生命力最强的基本控制方式。计算机技 术的不断发展为数字化p i d 控制技术提供了良好的物质基础，由于计算机具有运算速 度快、精度高、存储容量大，编程灵活及很强的通信能力等特点，广泛应用于各种工 业控制中。 直线交流伺服电动机具有非线性、耦合性、负载扰动、时变不确定性等，难以建 立精确的数学模型等特点都给系统的建模带来困难，使用常规的p i d 控制器难以达到 理想的控制效果。神经网络中应用较多的是反向传播b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 网络，但是 b p 网络存在易陷入局部极小、训练速度慢、效率低等缺点，而径向基函数r b f ( r a d i a l b a s i sf u n c t i o n ) 网络在一定程度上克服了b p 网络存在的不足，具有运算量小、收敛快、 无局部极小等优点。将i 出f 神经网络和传统p i d 控制相结合形成的r b f 神经网络整定 p i d 控制，将会在一定程度上改进传统p i d 控制器的性能。 利用m a t l a b 编写控制程序，进行了仿真实验研究。仿真结果表明，此优化的 r b f 神经网络整定p i d 控制系统与传统p i d 控制器的伺服性能比较具有更好的跟踪能 力和很好的鲁棒性能。从而表明在直线交流伺服系统中利用r b f 整定p i d 控制该系统 是一种行之有效的方法。 关键字：数控机床；直线电机；r b f 神经网络；p i d 控制； t h er e s e a r c ho nt h er b fn e u r a ln e t w o r ks e t t i n gp i d c o n t r o l l i n gp m l s m a b s t r a c t n cm a c h i n ea r em a i n s t r e a me q u i p m e n to fm a n u f a c t u r i n gm a c h i n e r y i th a sb e c o m e t h ec o n s e n s u so fp e o p l ef r o ma l lw a l k so fl i f et h a tw eu s en cm a c h i n ea n de q u i p m e n tt o u p g r a d et h el e v e lo ft r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s e s p e c i a l l y 、i t ht h ei m p r o v i n g t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rn cm a c h i n i n ga c h i e v eh i g h s p e e da n du l t r ah i g h - s p e e d ， p r e c i s i o na n du l t r a - p r e c i s i o n ，h i 曲- s p e e dr e s p o n s ec a p a b i l i t yo ft h el i n e a rs e r v of e e ds y s t e m n a m e l y ，”z e r ot r a n s m i s s i o n ”a p p r o a c ha r i s e s ，l i n e a rd r i v et e c h n o l o g yp o s i t i o n i n gh a sa l s o b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do f p r e c i s i o n t h ea r t i c l er e s e a r c h e st h el i n e a rm o t o rd i r e c t - d r i v es y s t e m ，a n dw es e l e c tp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sl i n e a rm o t o rf o rt h ec o n t r o lo b j e c t i nv i e wo ft h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h el i n e a rs e r v os y s t e m ss t a b i l i t ya n d r a p i d i t y , w em a i n l yc a r r i e so nt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ec o n t r o lp l a n ，a n dr e a l i z e st h ef a s tt r a c kt ot h es y s t e mw h i c h a s s i g n sa n dg r e a t e s td e g r e e 。ss u p p r e s s i o nt ot h ep a r a m e t e rv a r i a t i o na n dr e s i s t a n c e p e r t u r b a t i o n ，i n c r e a s e st h el i n e a rs e r v o ss t a b l es t a t ep r e c i s i o n t h el i n e a rm o t o rs e r v os y s t e mc o m p a r e sw i t ht h et r a d i t i o n “t h er o t a t i n gm o t o r + b a l l s c r e w ”f e e dw a y ，a l t h o u g he l i m i n a t i n gs o m ea d v e r s ee f f e c t sw h i c ht h em e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o nc h a i nb r i n g s ，b u ta c t u a l l yi n c r e a s i n gt h ed i f f i c u l t yo fc o n t r 0 1 i nt h eo c c a s i o n o fr e q u e s t i n gh i g h p r e c i s i o na n dm i c r o f e e d ，w em u s ts t a n do n ah i g h e rl e v e l ，c o n s i d e r i n g m o r ep e r t u r b a t i o n sa n du n c e r t a i n t yf a c t o rt ot h ef e e dm o t i o n si n f l u e n c e ，o t h e r w i s e ，z e r o t r a n s m i s s i o nw i l ll o s et h es i g n i f i c a n c ew h i c ho r i g i n a l l yh o p e d i no r d e rt or e a l i z et h e h i g h - p r e c i s i o na n dh i g h - s p e e dc o n t r o lr e s u l t ，w en e e dt os e e kt h ee f f e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y u pt on o w , p i dc o n t r o li ss t i l lt h eo l d e s ta n d m o s tv i t a l i t yo fb a s i cc o n t r o lm o d e t h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sp r o v i d e dag o o dm a t e r i a lb a s ef o rt h e d i g i t i z e dp i dc o n t r o lt e c h n o l o g y b e c a u s et h ec o m p u t e rh a v eaq u i c ko p e r a t i n gs p e e d ， h i g h - p r e c i s i o n ，h u g es t o r a g ec a p a c i t y ，f l e x i b l ep r o g r a m m i n ga n ds t r o n gc o m m u n i c a t i o na n d s oo n i ti sw i d e l ya p p l i e di nd i f f e r e n ti n d u s t r i a lc o n t r 0 1 l i n e a ra cs e r v om o t o rw i t hn o n l i n e a r i t y ，c o u p l i n g ，l o a dd i s t u r b a n c e ，t i m e v a r y i n g u n c e r t a i n t y ，h a r dt oe s t a b l i s hp r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ，e t c ，a l lt h e s eb r i n gd i f f i c u l t yt o e s t a b l i s hs y s t e mm o d e l t h eu s eo fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e rc a nn o ta c h i e v et h ed e s i r e d c o n t r o le f f e c t b a c k - p r o p a g a t i o nn e t w o r ki so n eo fc o m m o nn e u r a ln e t w o r k s ，b u tb p n e t w o r kf a l le a s i l yi n t os o m ed i s a d v a n t a g e ，s u c ha sl o c a l - m i n i m u m ，s l o wt r a i n i n g s p e e d ， l o we f f i c i e n c y t os o m ee x t e n t ，t h er a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e t w o r ko v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g so fb pn e u r a ln e t w o r k s ，w i t has m a l la m o u n to fc o m p u t a t i o n ，f a s tc o n v e r g e n c e ， n ol o c a lm i n i m u ma n ds oo n 明1 ec o m b i n a t i o no ft h er b fn e u r a ln e t w o r ka n dp i dc o n t r o l f o r mi 出fn e u r a ln e t w o r k s e t t i n gp i dc o n t r o l ，w i l lb e t t e r ，t os o m ee x t e n t ，t h ep e r f o r m a n c e o ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r u s i n gm a t l a bc o m p i l ec o n t r o lp r o c e d u r e ，w ec a r r i e do nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i s o p t i m i z a t i o n sr b fn e u r a ln e t w o r ks e t t i n gp d c o n t r o ls y s t e mc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r ss e r v os y s t e mh a sb e t t e rt r a c k a b i l i t ya n dr o b u s tp e r f o r m a n c e i ts h o w st h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mu s i n gr b fs e t t i n gp i d i s o n ee f f e c t i v em e t h o di nt h el i n e a ra cs e r v os y s t e m k e yw o r d s ：n cm a c h i n e ；l i n e a rm o t o r ；r b fn e u r a ln e t w o r k ；p i dc o n t r o l 插图清单 图2 - 1 旋转电机变为直线电机的过程1 0 图2 - 2 单边型直线电机1 1 图2 - 3 双边型直线电机1 l 图2 - 4 直线电机的基本工作原理1 2 图4 - 1p i d 控制系统原理框图2 3 图4 - 2 数字p i d 控制原理框图2 4 图4 3 不同k p 对控制性能的影响2 7 图4 - 4 不同k 。对控制性能的影响2 8 图4 - 5 不同k 。对控制性能的影响2 8 图5 - 1 生物神经元网络结构3 l 图5 - 2r b f 网络结构图3 2 图6 - 1 直线永磁同步电机结构示意图3 7 图6 - 2 直线永磁同步电机工作原理示意图3 8 图6 - 3 直线电机直接驱动伺服系统的结构框图3 9 图6 - 4 直线电机进给伺服系统基本结构示意图3 9 图6 - 5 直线永磁同步电机直接驱动伺服系统的位置控制模型4 1 图6 - 6r b f 网络整定p i d 控制p m l s m 图4 3 图6 - 7 正弦响应没有负载阻力的速度比较图4 5 图6 - 8 正弦响应有负载阻力的速度比较图4 5 图6 9 阶跃响应没有负载阻力的速度比较图4 6 图6 - 1 0 阶跃响应有负载阻力的速度比较图4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：识霞签字吼秒年删矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴兰业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目墨工业太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：数骺 导师签名： 签字日期：唧年牟月谬日 ， 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：加哆年4 月，日 电话： 邮编： 致谢 时光匆匆而过，在校的学习即将结束，在论文完稿之际，我衷心的向我的导师韩 江教授致以最诚挚的谢意! 在这两年半的学习过程中，韩老师的严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、 学习中的榜样；韩老师渊博的知识，孜孜以求的学术态度，不断追求创新突破的精神 和高尚的人格魅力将是我今后人生道路上永远的坐标。在论文的写作过程中，老师从 选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，韩老师始终认真负责地给予我 深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是韩老师的无私 帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成。 韩老师不仅在学业上给我们悉心的指导，同时也感谢他在思想、生活、就业中给 予我无微不至的关怀和指导! 此外，衷心感谢合肥工业大学c i m s 研究所的夏链老师、祖咂老师、何高清老师、 余道洋老师、丁志老师、朱仁胜老师等对我的关怀和指导。 衷心感谢所有的代课老师，是他们传授给我了丰富的知识，引导我能够进一步攀 登知识的高峰! 衷心感谢我的同学贾伟妙、王川、王程、王曦、孟超、杨牧原、余仲元、吴建霖、 王玉兵，和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 衷心感谢学弟李凯亮、葛敬、信傲、马超、黄愿、张江华，学妹姚银鸽、季焓等 给予我的帮助! 最后还要特别感谢我的父母、公婆、丈夫，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付 出让我能在追寻知识的道路上不断前进，并给予了我精神和物质上的极大支持，使我 最终得以完成学业。 感谢所有曾经给予我帮助的人! 作者：曹文霞 2 0 0 9 年4 月 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 机械制造业是一个国家国民经济的基础n h 2 h 羽，其中机械装备工业的技术水 平和现代化程度决定着整个机械制造业的水平和现代化程度，而数控技术及装 备又是当今先进制造技术和装备的关键核心。数控机床的生产能力和水平是衡 量一个国家综合实力的重要标志。世界各国广泛采用数控技术，以提高自身制 造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各 工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措 施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖 数控关键技术和装备方 面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造 技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途 径。 伺服系统采用直线电机直接驱动省去了中间机械运动的变换环节而成为零 传动方式，消除了传动链所带来的一系列不良影响，因而极大地提高了进给系 统的快速反应能力和运动精度，成为新一代数控机床中最具有代表性的先进技 术之一。特别是随着对数控机床加工技术要求不断地实现高速和超高速化、精 密和超精密化，更需要具有高速反应能力的直线伺服进给技术的支持h 】 司1 。 由于直线电动机采用直接驱动即零传动之后，系统受到端部效应、参数摄 动及负载扰动等不确定性因素的影响将直接反映到直线电动机的运动控制中， 而没有任何中间的缓冲过程，因此增加了控制上的困难。与旋转电动机相比， 永磁直线电动机的数学模型很难精确建立，有其自身的特殊性，更增加了控制 的难度。因此，在数控机床应用中，针对直线电动机这样一个不确定性控制系 统，就需要根据直线电动机现有数学模型采用一定的控制策略进行系统设计。 课题研究目的就是要解决存在不确定性因素时伺服系统的控制问题，通过设计 控制器使闭环系统既能稳定又能满足品质指标，以满足数控机床对伺服控制的 需要。 1 2 数控系统综述 1 2 1 数控机床的国内、外发展现状 进入2 1 世纪，世界工业国都在进一步加强具有基础性、创造性、战略性的 机床工业，加速发展先进的数控机床，竞争异常激烈。 1 9 4 9 年美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日 益复杂的飞机叶片自动加工，于是由帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机n 1 。1 9 5 2 年，计算机技术应用到 了机床上，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台试验性数控系统一研制出基于 电子管和继电器的数控装置，用于控制铣床，它标志着第一代数控系统一电子 管数控系统的诞生。从此，数控系统的发展日新月异，到今天已经历经了两个 阶段共六代，几乎5 年左右时间就更新换代一次。现今数字化时代已进入到一个 新的历史阶段即第六代。数字化技术是指以计算机硬件、软件、信息存储、通 讯协议、周边设备和互联网等为技术手段，以信息科学为理论基础的科学技术 集合。数字化技术和制造业技术相融合形成了数字化制造技术，该技术是以制 造工程学为理论基础的重大制造技术革新，是先进制造技术的核心，有广阔的 应用前景哺1 。数控技术是先进制造技术( 如柔性制造系统、计算机集成制造系统 等) 的基础。数控机床在整个现代制造系统中处于基础性的、核心的地位。而计 算机数控系统( c n c s ) 则是数控机床的控制中枢。 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和 通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求、迅速高效、低成本 地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求 新一代数控系统具有方便的网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产 组织和管理模式。进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机 床技术更快的更新换代，各种不同层次的开放式数控系统应运而生。 中国对数控机床的研制，起步较早，在1 9 5 8 1 9 8 0 年2 0 余年间，曾三起三落。 从1 9 7 9 年改革开放后，先后引进国外数控系统，各类数控机床、功能部件、测 量、刀具等先进技术，合作生产世界一、二流产品，从而走上了正式生产、使 用的道路。2 5 年来，在设计、制造、使用技术上有较大进步。如果说，美、德、 日工业国家的数控机床已进入成熟创新期，中国则处于学习仿创、推广使用的 发展期。 “十一五 我国数控机床开发的重点：一是重点发展关键功能部件和数控 系统，为数控机床产品升级奠定基础。主要发展项目包括中高档数控系统、高 速主轴及其伺服单元、高性能刀库及机械手、高速滚珠丝杠和直线导轨副、直 线电机、全功能数控刀架和数控转台、高速防护装置等。二是高精度数字化测 量仪器和数控刀具。三是满足国家重点工程需要，实施高级型数控机床示范工 程。重点发展的高级数控机床范围有：高速、精密数控车床，车削中心类及四 轴以上联动的复合加工机床；高速、高精度数控铣镗床，高速、高精度立卧式 加工中心；重型、超重型数控机床；数控磨床；数控电加工机床；数控金属成 形机床( 锻压设备) ；数控专用机床及生产线等。 2 0 0 8 年1 2 月2 0 日，由国家科技部主持、沈阳机床集团主办的“数控机床行 业推进产学研结合座谈会”在北京举行，会上最终达成数控机床高速精密化技 2 术创新战略联盟合作的框架协议书。这意味着今后中国的数控机床业在建立共 性关键技术研究、应用的产学研合作将有了一个可持续发展的支撑平台。 1 2 2 数控机床的发展趋势 ( 1 ) 高速化n 们n 1 1 2 1 ：由于高速加工技术的普及，机床普遍提高了各方面速 度，车床主轴转速由3 0 0 0 4 0 0 0 r m i n 提高至u 8 0 0 0 1 0 0 0 0 r m i n ，铣床和加工中心主 轴转速由4 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 提高到1 2 0 0 0 r m i n ，2 4 0 0 0 r m i n ，4 0 0 0 0 r m i n 以上，快速 移动速度由过去的1 0 2 0 m m i n 提高多 4 8 m m i n ，6 0 m m i n ，8 0 m m i n ，1 2 0 m m i n 。 ( 2 ) 高加速度：在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已 经由过去一般机床的0 5 9 ( 重力加速度) 提高到1 5 。2 9 ，最高可达1 5 9 。没有高的 加速度，工作部件的高速度是没有意义的。这是高速与超高速切削对n c 机床结 构设计的新要求，也是n c 机床设计理论的新发展。 ( 3 ) 高精度化：数控机床的定位精度己由一般的o 0 1 0 0 2 m m 提高到 0 0 0 8 m m 左右，亚微米级机床达到0 0 0 0 5 m m 左右，纳米级机床达0 0 0 5 0 o l p x n 。 数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达 到l 岬的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角 处理等。 ( 4 ) 复合加工、新结构机床大量出现：如5 轴5 面体复合加工机床，5 轴5 联动 加工各类异形零件，也派生出各种新颖的机床结构，包括6 轴虚拟轴机床，串并 联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 ( 5 ) 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼 。如内冷钻头由 于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。 加工钢件切削速度能达1 0 0 0 m m i n ，加工铝件能达5 0 0 0 m m i n 。 ( 6 ) 数控机床的开放性和联网管理，这些已是使用数控机床的基本要求，它 不仅是提高数控机床生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些 制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、 异行工程等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为2 1 世纪制造 业发展的一个主要潮流。 1 3 数控机床伺服系统进给驱动技术的发展状况 数控机床的伺服系统是实现机床轴运动( 包括进给运动、主轴运动及位置 控制) 的关键的系统之一。它的性能对数控机床的重复定位精度、动态响应特性， 以及实现高速度、高加速度具有重要意义。伺服系统的发展对数控机床的发展 产生了不可估量的影响u 扣。 伺服系统是数控机床重要的组成部分，是以位置为控制对象的自动控制系 统，对位置的控制是以对速度控制为前提的，而伺服电机及其速度控制单元只 是伺服控制系统中的一个组成部分。数控机床的进给伺服系统由伺服电路、机 械驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是：接收数控系统发出的 进给指令和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱 动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进 给和快速运动。数控机床的进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，它 能根据指令信号精确的控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按 一定规律运动所合成的运动轨迹。高性能的数控机床的进给伺服系统，在很大 程度上决定了机床的加工精度、表面质量和生产效率。 数控机床的进给驱动技术发展经历了由“旋转电机+ 滚珠丝杠”到直 线交流伺服系统的发展。 1 3 1 传统伺服系统传动形式 半个世纪以来，伺服系统的传动形式主要采用“旋转伺服电机+ 滚珠丝 杠 。驱动系统包括旋转伺服电机、连轴器、丝杠支架轴承、推力轴承、螺母 托架、丝杠、螺母等元件组成。要提高其运动速度和加速度，必须增大丝杠导 程，并采用高转矩、高转速的伺服电机和降低运动质量。而一般伺服电机最大 工作转速为2 0 0 0 2 5 0 0 r m i n ，丝杠导程为1 0 1 5 m m ，因此可实现的最大直线进 给速度为2 0 3 6 m m i n ，最大加速度一般只有0 1 0 3 9 n 4 嵋1 。 随着高速加工技术的不断发展，这种传动方式的许多弊端也都表现出来， 例如：电机输出的旋转运动需经过联轴器、滚珠丝杠、螺母等一系列中间传动 和变换环节，才变为工作台的直线运动。由于中间传动环节的存在，使得整个 传动系统的刚度降低，启动和制动初期的能耗都用在克服中间环节的弹性变形 上。尤其细长的滚珠丝杠，是刚度最薄弱的环节，其弹性变形可使系统的阶次 变高，系统的鲁棒性降低，精密传动和定位精度性能下降。还有，中间传动环 节增加了运动体的惯量，在不增加系统放大倍数的情况下，系统的速度、位移 响应变慢。而放大系数的增大又受系统稳定性的限制，过大的放大倍数会使系 统不稳定。而且由于制造精度的限制，中间传动环节不可避免地存在间隙、摩 擦及弹性变形等因素的影响，使系统的非线形误差增加。 1 3 2 直线电机直接驱动系统 针对高速高精度数控加工的要求，为了提高生产效率，需要设备在高速高 加速度的工况下工作。传统的滚珠丝杠加旋转电机的伺服传动链，由于一系列 中间环节等问题的存在，已经不能适应和跟上高速数控加工上越来越高的要求。 直线电机伺服方式，省去了大量的中间环节，系统的惯量变小，响应和系统稳 定性也将大大增加。以直线电机作为驱动的设备，能实现高加速度，最高能达 到的往复运动频率。传统直线伺服机构是典型的旋转电机加上滚珠丝杠，而直 4 线电机直接驱动系统取消了中间传动环节，简化了机械结构，具有优越的加减 速度特性，并提高了系统刚度与可靠性，同时具有降低了运行噪音、行程无限 制、维护简单等优点。直线电机直接驱动系统与传统直线伺服结构性能对比如 表1 - 1 所示。 表l - 1 直线电机直接驱动与传统直线驱动系统的性能对比 性能旋转电机+ 滚珠丝杠 直线电机直接驱动 最高速度9 0 1 2 0 ( m m i n )6 0 2 0 0 ( m m i n ) 可更高 最高加速度 1 5 9 ( 常用0 1 9 - 0 5 9 ) 2 9 - 1 0 9 静态刚度9 0 18 0 ( n 啪)7 0 2 7 0 ( n a t m ) 动态刚度9 0 18 0 ( n r e n )1 6 0 2 1 0 ( n 帅) 精度 2 5 m n 0 5 r a n 可更高 ( 肛m 3 0 0 m m ) 重复精度2 啪 0 1 啪 平稳性( ) 1 01 工作寿命( h ) 6 0 0 0 1 0 0 0 05 0 0 0 0 行程受丝杠限制不受限制 频率响应特性附件惯性小、较高的频率响 附件惯性大、响应慢 应特性 工作死区 存在反向工作死区、螺距无反向工作死区、无误差传 误差传递递 其他摩擦磨损引起精度渐变、 无前述现象 弹性形变引起爬行等 近年来，随着工业加工质量和运动定位精度等要求的提高，直线电机受到 了广泛的关注。在国外，直线电机驱动技术已进入工业化阶段，特别是在高速 精密加工中已经有了广泛应用，但国内尚处于起步阶段。直线电机可以直接驱 动工作台高速运动，是最有前途的快速进给系统。而一般采用滚珠丝杠的运动 伺服系统所能达到的最高的快速进给速度为5 0 6 0 m r a i n ，工作进给速度为 3 0 4 0 m m i n ；一般认为，这种结构的最高加速度很难突破1 9 ( 1 9 为9 8 m s 2 ) ， 通常只有( o 1 o 5 ) g ，显然远远满足不了超高速机床高效率的需要。所以要获 得更高的运动速度和加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。 基于此，本文以直线电机直接驱动伺服系统作为研究对象。 1 4 直线电机的国内外研究现状 1 4 1 直线电机发展概况 直线电机的发展主要经历了探索、实验、开发应用以及实用商品化四个阶 段： ( 1 ) 探索阶段( 1 8 8 6 1 9 2 9 年) 1 9 世纪末2 0 世纪初，n t e s l a 研究了一系列运动电磁场方面的技术，并开始 了直线电机方面的研究工作。值得注意的是，在该阶段，部分研究者不仅从理 论上研究了直线电机的驱动原理，并且进行了各种应用方面的初步研究，但大 多数以失败告终。如当时用直线电机来推动织布机上的梭子，或作为铁路列车 的动力，均未获得成功。直到1 9 1 5 年，苏联的齐亚夫完成了最早的水银用电磁 泵u 7 1 。把直线电机的原理性试验向前推进了一大步。 ( 2 ) 实验阶段( 1 9 3 0 1 9 4 0 年) 在这个阶段，直线电机受到更多重视，一度出现了直线电机研究热。如1 9 3 0 年美国的b a c h e l e t 获得双边型直线电机专利；1 9 31 年德国e i n s t e i n 等人获得直线 电磁泵专利；1 9 3 4 年美国h a s e 完成直线电磁炮。在这个阶段即将结束时，美国 西屋公司发生了著名的电动牵引机( e l e c t r o p u l t ) 失败事件失败的原因首先是其 相关技术尚不完善，其次是没有能够充分掌握直线电机的特性。但是，西屋公 司在实际应用方面的尝试给后人提供了宝贵的经验与教训。 ( 3 ) 开发应用阶段( 1 9 4 5 1 9 6 9 年) 这一阶段可以说是直线电机的“文艺复兴时期”。控制技术和材料技术的 快速发展加快了直线电机的开发应用。如日本基于直线电机的新干线技术的成 功，使感应式直线电机开始应用在高速铁路上。1 9 6 3 年后，随着控制技术和材 料性能的显著提高，出现了一些应用直线电机的实用机械。如1 9 6 3 年日本钟通 先生成功研制双边型直线电机驱动转台；1 9 6 5 年美国s k i n n e r p r e c i 公司开始出售 圆柱型直线电机；1 9 6 8 年开始出现直线步进电机，并应用在自动绘图仪上；还 有m h d 泵，磁头定位驱动装置，电唱机，缝纫机，空气压缩机，输送装置等等。 ( 4 ) 实用商品化阶段( 1 9 7 0 至今) 从1 9 7 0 年开始，直线电机终于进入了使用商品化时代。例如在核动力的发 展过程中，需要抽吸钠钾混合物之类的液态金属，产生了作为输送和搅拌液态 金属的直线电机电磁泵。随着超高速运输系统的发展，直线电机应用于磁浮列 车，以及钢管输送机，运煤机，电动门，电动窗，电动编织机，起重机，空压 机，冲压机，电梯等。 1 4 2 直线电机在国外的研究与应用 从直线电机以往的发展历史来看，其应用范围很广泛n 8 1 。但过去主要作为 简单的运输、传送等用途，并未涉及到精密控制的伺服控制系统。直至1 9 9 3 年， 德国e x c e l l o 公司在汉诺威国际机床博览会上展出了世界上第一台直线电机驱 动工作台的h s c 2 4 0 型超高速加工中心。该加工中心采用德国i n d r a m a t 公司开发 的感应式直线电机，最快进给速度达6 0 m m i n 。几乎与此同时，美国i n g e r s o l l 公司和f o r d 汽车厂合作，也研制成功h v m 8 0 0 型高速加工中心。1 9 9 8 年第十九 届j i m t o f 机床展上，展出8 台直线电机进给驱动系统的数控机床。目前日本和 欧美许多数控机床制造厂商都采用直线电机进给系统。最著名的有：d m g ， 6 i n g e r s o l l ，k i n g s b u l y ，e x - c e l l o ，g r o bs y s t e m , p r e c i t e c h ，r e n u a l ta u t o m a t i o n ， j o b s 和f o r e s t l i n e 等公司所采用的直线电机有a n o r a d ，s i e m e n s ，i n d r a m a t 和g e f a n u c 等公司的产品，伺服控制系统有s i e m e n s ，g e f a n u c ，i n d r a m a t 等公司的产 品。2 0 0 3 年1 0 月意大利米兰e m 0 2 0 0 3 国际机床展，高速加工技术进一步推广， 直接驱动进一步成为高性能机床的重要技术手段。展会中德国d m g 公司大批高 性能加工中心采用了直线电机直接驱动技术，女i d m g 公司新一代d m gs p e e d l i n e a r - 系列，采用f a n u cs e r i e1 6 it b 控制系统。2 0 0 5 年第九届中国国际机床展 览会( c i m t 2 0 0 5 ) ，d m g 公司展出的d m c 7 5 vl i n e a r 精密立式加工中心所有进 给轴都采用高动力性能直线电机驱动，加速度高达2 9 ，快移速度9 0 m m i n ，可 提高2 0 生产率n 9 1 。近1 0 年直线电机直接驱动和滚珠丝杆传动两者的环比成本 下降了1 0 2 0 ，而且用户普遍认为采用直接传动可以节省运行成本2 0 以上。 由于直线电机的成本下降更快，运行成本更低，相信将会成为数控机床进给系 统发展的主流。 1 4 3 直线电机在国内的研究与应用 2 0 世纪7 0 年代初，我国开始研究和应用直线电机。先后在中国科学院、清 华大学等多所科研单位进行理论研究和应用研究，并取得一定成果。上海电机 厂研制并生产直线异步电机。宁波大学的丁志刚等对直线异步电机的工作原理、 结构和控制系统进行了一定的研究。从九十年代开始，沈阳工业大学、浙江大 学、清华大学、广东工业大学、国防科技大学等高校都做了相关研究。1 9 9 5 年 广东工业大学超高速加工与机床研究室开始开展直线电机在机床上的应用研 究，开发了由直线感应电机驱动的g d 3 型高速数控机床进给单元，其额定推力 2 0 0 0 n ，最高进给速度1 0 0 m m i n ，定位精度为0 0 0 4 m m ，行程8 0 0 m m 凹2 。清 华大学机械学系制造工程研究所，研究的长行程永磁直线伺服单元额定推力 1 5 0 0 n ，最高速度6 0 m m i n ，行程6 0 0 m m 口副沈阳工业大学的直线电机研究重点 在永磁同步直线电机的控制方式及伺服系统瞳引。2 0 0 3 年的第八届中国国际机床 展览会( c i m t 2 0 0 3 ) ，北京机电院高技术股份公司、江苏多棱数控机床股份有限 公司展出了国产首批直线电机驱动的立式加工中心( v s l 2 5 0 ) 该加工中心采用 了西门子8 4 0 d 系统，其x 、y 轴采用了直线电机驱动，最大进给速度6 0 m m i n ， 采用光栅尺信号反馈，实现全闭环控制，具有很高的可靠性与稳定性口钔。 目前在我国机床行业中，越来越多厂家致力于直线电机进给系统的研究和 应用。但是暂时并没有厂家能完全掌握直线电机驱动的关键技术。综上所述， 生产具有自主产权直线电机的伺服系统，让直线电机驱动的数控加工中心国产 化将是国内的研究目标之一。 7 1 5 研究目标、意义及主要研究内容 1 5 1 研究目标及意义 在高精度微进给的数控机床伺服驱动系统中，由于对机床控制要求很高， 同时也对直线交流伺服电动机进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很 高的驱动推力、快速进给速度和极高的快速定位精度；高速度、高加速度和高 精度是现代数控伺服驱动的要求及发展趋势。直线电动机伺服系统与传统的“旋 转电动机十滚珠丝杠”进给方式相比，虽然消除了机械运动变换机构等的不良 影响，但这也增加了控制上的难度，负载变化和外部扰动等将无衰减地直接影 响伺服系统的性能。而且直线电机的端部效应、齿槽效应和永磁体磁链纹波等 产生推力纹波、系统的参数变化、摩擦阻力的非线性变化以及状态的观测噪声 等对会降低系统的伺服性能和机床的加工精度。所以必须站在更高的层次上考 虑到一些更细微的因素对驱动系统的影响。为了实现高精度高速度的控制结果， 我们需要寻求有效的控制策略。但是考虑到永磁同步直线电机伺服系统是一种 具有高度快速性的动态系统，不可能在几十毫秒的起动或制动过程中以及更为 短暂的动态调节过程中实现十分复杂的控制算法。所以在满足主要控制要求的 同时，满足对各种扰动的抑制以及对指令的无延时、无超调的跟踪，选择一种 合适的、成功的控制策略，发展高性能的直线电机伺服系统已成为国内外众多 学者的共识，近年来也在此问题上做出了许多的努力，有不少先进的控制策略 在永磁同步直线电机伺服控制领域得到了成功的应用。 就目前的研究现状，神经网络在伺服控制系统中的应用，主要还是利用它 对非线性函数非凡的逼近能力。随着智能机器人和高精度数控机床的发展，伺 服技术得到了日益广泛的应用，同时对调速系统也提出了更高要求。希望伺服 系统具有快速性好、无超调、无静差、抗扰能力强等优点。然而由于实际伺服 系统是非线性、不确定性系统，当模型的