（电力电子与电力传动专业论文）双直线电机同步控制的研究.pdf

沈m | _ 业人学 f ； 卜学位论文 t h er e s e a r c ho fd u a ll i n e a rm o t o r s y n c h r o n o u s c o n t r o l a b s t r a c t b a s e do nt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c tn a m e d “t h e o r yo fd y n a m i c p r e c i s i o ns y n c h r o n i z a t i o nt r a v e r s ea n dr e s e a r c ho fr e a l i z a t i o nm e t h o d sf o rl i n e a rs e r v o d u a lp o s i t i o nl o o p ss y s t e m ( n o 5 0 0 7 5 0 5 7 ) a n dc o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r so ft h ec o n t r o l l e d o b j e c t ，t h e c o n t r o l s t r a t e g i e s f o r r e d u c i n gt h es y n c h r o n o u se n y ) r o fd u a ll i n e a rm o t o ra r e m p m s e m e d f r o mt w o a n g l e s i nt h es t r a t e g yw h i c h s y n c h r o n o u s e r r o ri sc o n s i d e r e da sg i v e nv a l u eo f f i l z z ys e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o l l e r ，t h ec o n t r o l l e ri sp l a c e di nt h ef e e d b a c kc h a n n e lb e t w e e nt h et w om o t o r s s i n c e t h ef u z z y r e a s o n i n g r u l e so f f u z z ) - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rr e p r e s e n t e di nt h i sp a p e ra r eb a s e do n t h ep r e v i o u s l ys e tr u l e st a b l e s ，t h ec o m p l i c a t e da l g o r i t h mi s n t r e q u i r e dm a dt h ec a l c u l a t i n g s p e e do fc o n t r o l l e ri sh i 曲t h ek 曲- s p e a tr e q u i r e m e n to f c o n t r o l l e do b j e c tc 锄b em e t t h e s i m u l a t i o nr e s u l tp r o v et h a tt h ep r o p o s e ds y s t e mh a ss t r o n gr o b u s t n e s sa n dg o o d r a p i d i t y ，a n d d y n a m i c a ls y n c h r o n o u se r r o ri ss m a l l s ot h i sc o n t r o lm e t h o dc a ns a t i s f i e dt h ed e m a n do f t h e c o n t r o l l e ds u b j e c tf o rt h e 1 1 i g hp r e c i s i o ns y n c h r o n o u sc o n t r 0 1 i nt h es t r a t e g yb a s e do nd i s t u r b a n c ec o m p e n s a t i o n , d i s t u r b a n c eo b s e r v e ri su s e di nd u a l l i n e a rs e r v om o t o r sf e e d i n gd r i f so f g a n t r y m o v i n gt y p eb o r i n g - m i l l i n gm a c h i n i n gc e n t e r st o l i m i tt h ea s y n c h r o n i z a t i o nc a u s e db yt h ep a r a m e t e r sv a r i a t i o na n do u t e rt o r q u e s h e n c e ，t h e r a p i d i t yo f s y n c h r o n i z a t i o n i si n c r e a s e dt 1 】er e s u l t so f s i m u l a t i o nt e s ti n d i c a t et h a tt h e p r o p o s e d s y s t e ml r a ss t r o n gr o b n s m e s sa n dg o o dr a p i d i t y a n dd y n a m i c a ls y n c h r o n o u se n o ri ss m a l l s o t h i sc o n t r o lm e t h o dc a ns a t i s f i e dt h ed e m a n do ft h ec o n t r o l l e ds u b j e c tf o rt h eh i g hp r e c i s i o n s y n c h r o n o u sc o n t r 0 1 b e s i d e s ，l o a dd y n a m i cc o m p e n s a t i o n o f b r i d g i n g d r i f ti sp r o c e e d e dt od e c r e a s ed i s t u r b a n c e t of e e d i n gd r i f t s ，a n dc o m b i n e dw i t ha b o v et w oc o n t r o ls t r a t e g i e s t h es y n c h r o n i z a t i o nc a nb e a c h i e v e db e t t e r k e y w o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ，p e r m a n e n tm a g n e t i cl i n e a rm o t o r ，f u z z y s e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r 0 1 d i s t u r b a n c eo b s e r v e r 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：襁日期： 关于论文使用授权的说明 扣穆弓旷 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：曰期：p _ f 扩 沈m 业火，学硕卜学位论兑 1 引言 本课题对双直线电机同步控制的方法进行了研究。其中以数控龙门移动式重型镗铣 床应用最为典型。同步控制是大型数控龙门镗铣床十分重要的关键技术，它不仅可以解 决龙门框架的同步移动问题，同样也可以解决横梁上下同步移动及横梁因铣头水平移动 而造成的倾斜问题“2 、。因此，本课题以数控龙门移动式重型镗铣床为背景研究同步控 制问题。 1 1 课题研究的目的、意义及研究动态 1 1 1 目的 本课题的研究目的就是要解决诸如龙门移动式数控重型镗铣床一类加工设备的龙门 框架、横梁等那些大型移动部件，在高进给速率下，如何实现快速反应、高精度的平行 移动理论和实现方法问题。由于横梁及其相匹配的部件等所组成的大型移动部件，并不 总是形成对称结构与对称受力，再加上某些制造上的误差的不一致性，以及在运行中难 以预料的各种不确定性扰动，所以尽管龙门柱左右两边各采用一套完全相同的传动机 构，但最终还是不能保证横梁或龙门框架两边移动的高度一致性。这样以来，由于机械 上的强耦合，将导致移动部件扭斜，破坏了同步进给精度。因此，高精度同步进给技术 仍然是世界各国重型机床行业所面临的重大研究课题“、。 1 12 意义 同步传动在现代生产实践中，已有广泛的应用。在工程机械中，如同步振动机、轧 钢机、印花机、振动筛等。国内已有专家学者在理论和应用上做了大量研究，取得了许 多成果”3 。但是在现代加工设备中，例如，用于汽车纵梁冲压的液压机同步控制，折弯 机的电液同步控制，大型、重型、超重型的数控龙门移动式镗铣床的龙门柱或横梁的同 步进给控制，某些专用数控机床的多轴同步控制等等研究的较少。从广义上讲，同步进 给控制也可归为同步传动的范畴。但在这罩，由于对伺服进给要求很高，所以仍有不同 于工程机械中同步传动的理论问题需要解决，实现方法也有其特殊性。重型数控龙门移 动镗铣床的同步进给应用中，两个立柱分别由直线交流伺服系统驱动，在这两个位置环 沈mj 业大学碗j 学位论文 系统之间要求同步精度高、响应快，控制难度大，而输出端却具有强机械耦合，最具代 表性。1 。 由于重型数控龙门镗铣床尤其适用于电力设备、船用柴油机、轧钢机等五面体加 工，或多轴连动，铣削空问曲面，是机械制造中较为理想的设备”、。龙门移动型的重 型数控龙门镗铣床，与龙门固定型相比，一般不受加工工件的重量限制，在工件长度相 同时，床身的总长要短，减小了占地面积，运动体的惯性以及进给所需的电机功率也较 小。但加 ? 精度略次于固定型。为提高加工精度，必须解决庞大的龙门框架移动的同步 进给控制问题u 0 1 。 此外，随着高新技术的发展和机电产品更新换代速度的加快，对零件精度要求越来 越高，目前超精密切削加工的精度正从亚微米向毫微米提供( 粗糙度已达到纳米级) 。 而更为普遍的是现阶段已有相当一部分零件的精度已进入微米级或正接近纳米级，用高 效率加工方法加工已成为当今制造业的迫切要求，在刀具等相关技术的配合下，出现了 高速高精度加工的切削机床，主要是加工中心和数控铣床”。”、“1 。当今所谓高速高精加 工机床，则不仅要有高的切削速度，而且要有高的进给f 含快移) 速度和加速度( d hi ：中心 还要有快的换刀速度) ，同时应当具有微米级的加工精度。显而易见，高速高精d n 3 _ - 机 床不仅要有良好的几何精度和运动精度，而且还需改善机床的静、动态特性和热特性 “。超高速叨削、超精密加工等先进制造技术的发展，对机床各项性能指标提出了越来 越高的要求“。同时也对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动 摧力、快速进给速度和极高的快速定位精度“i 、”1 。高速度、高精度是现代数控伺服驱 动的要求和发展趋势。这也就对同步控制提出了更高的要求。2 “，。 因此，高精度同步进给技术仍然是世界各国重型机床行业所面临的重大研究课题。 本课题的研究不但可以完善和提高同步进给理论和技术，而且对我国重型龙门镗铣床等 大型加工设备的发展更具有重大现实意义，并为未来的国家技术攻关奠定基础，其社会 效益和经济效益将是巨大的、“。 1 13 研究动态 就囤外来讲，德国的数控重型机床在国际上处于领先地位。生产数控重型龙门镗铣 床的： = = 要有w a l d r i c h - c o b u r g 公司、w a l d f i c h s i e g e n 公司、s c h i e s s - f r o r i e p 公司等。美国 沈陷工、l k 大学硕l 学位论文 主要厂家有i n g e r s o l l 公司等。i n g e r s o l l 公司的铣削宽度为7 m 的龙门移动式龙门铣，两 个立柱分别由两台直流电机驱动，同步误差o 0 2 5 0 0 3 5 r a m ，采用闭环控制系统，位置 检测用精密齿条和旋转变压器，精度虽略低于感应同步器，但耐境能力强，维修方便”。 “1 。德国的w a l d r i c h - c o b u r g 公司，采用取驱动动元件，静压螺杆、立柱静压导轨，立 植间6 ，5 m ，螺析距离9 m 。由旋转变压器与比较器进行电子控制，使传动电机同步，同 步误差0 0 3 0 0 5 r a m ”。 当前国际水平为：代表性产品是由两台相同的旋转电机十滚珠丝杠分别驱动，机械 解耦控制主要采用检测应力的补偿方法，在控制上实现静态解耦，达到的同步精度为 o 0 3 0 0 5 r a m ，还不能满足当前高精度加工的要求，匡际上仍在深入研究。目日n 在理论 研究上，把多变量控制作为同步控制基本的方法，解耦后再对单一回路采用各种先进的 控制方法，如交叉耦合补偿控制、最优控制、前馈控制、变增益控制、滑模变结构控制 等，都取得了些研究成果，但并未从根本上解决问题。由于交流伺服电机非线性、特 性的不匹配性、转矩有界性、负载和跟踪曲线的不确定性及其非线性等关键问题存在， 特别是在高进给速度下如何获得高精度和品质与稳定的鲁棒性，目前仍然是没有很好解 决的重要科学与技术问题”。 在国内，仅北京第一机床厂与德国w a l d r i c h c o b u r g 公司合作生产陔类机床，但龙 门框架同步进给驱动装置由德方提供，对我国实行严密技术封锁。在理论研究上，尚未 见到这方面的具体成果。 由上述可知同步进给是大型数控龙门性铣床十分重要的关键技术，它不仅可以解 决龙门框架的同步移动问题，同样也可以解决横梁上下同步移动及横梁铣头水平移动而 造成的倾斜问题。因此，本课题对解决多电机高精度同步进给和协调控制等一类问题具 有重要而普遍的意义。为了发展我国的同步进给技术，我们必须在进给方案、控制理论 和实现方法上进行创造性研究，以期达到并超过国际先进水平。 1 2 课题研究的主要内容 课题以两套相同的直线伺服系统，作为龙门移动式镗铣床的龙门柱纵向进给驱动机 构为应用背景，对单轴，双轴直线伺服系统的进给控制问题进行深入的应用研究。 沈阳工业大学硕士学位论殳 1 2 1 理论基础 ( 1 ) 在查阅、分析国内外相关领域资料基础上，对直线交流伺服系统及同步进给 控制问题进行了综述。 ( 2 ) 研究直线永磁同步伺服系统的数学模型。 ( 3 ) 学习研究针对此数学模型的控制方案的优缺点。 ( 4 ) 结合被控对象的实际要求寻找突破点，提出改进方案，力争达到更好的效 果。 ( 5 ) 仿真研究。采用m a t l a b 软件对系统进行了仿真，验证所提方案的合理有 效性。 1 - 2 2 研究方法 双直线电机同步控制问题的研究是一项理论与实际相结合的工作，所以它既离不开 试验支持，也离不开相关理论的指导。因此，对于同步问题的研究工作的开展，所采取 的技术路线也必须是理论与实际相结合的路线。但由于实验经费以及学制的限制在加 上被控对象为重型设备，所以本课题主要以理论研究为主。但这并不意味着所做的工作 为脱离实际的“纸上谈兵”。因为本课题为国家自然基衾项目，针对于它的实际1 ：作已 经完成，我的任务主要是寻找更适合同步问题的新方法以提高同步性能，用理论指导实 际。 本课题采用直线伺服进给直接传动方案以及位置环主从结构，仅对主动电机使用位 置控制，主动电机的位置控制器输出当作两直线电机的速度命令信号驱动，以实现单一 自由度的定位。当主动电机受到外界干扰产生位置反馈的变化，从动电机的参考速度命 令也随之变化，此做法将提高控制系统的伺服频宽及耦合机械的安全系数。 在控制方法上，传统控制方法的算法简单、鲁棒性好和可靠性好，被广泛应用于【 、世过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统；而实际工业产生过程 往往具有非线性、时不变确定性，难以建立精确数学模型的情况下，传统的控制方法将 受到制约，新型的智能化控制方法可以在很大程度上解决这些问题。本课题采用智能化 控制方法( 如自适应控制、模糊控制、神经网络控制等) 与传统控制方法( 如前馈控 制、反馈控制、p i d 控制等) 相结合的控制方法。以上所述的方法主要是解决双宜线电 沈阳 。业火学硕j 学位论文 机进给方向上的由于外界干扰、系统参数变化等因素造成的同步控制问题。除此之外 针对横梁上刀具位置的变化对同步运动造成的影响，采用了负载动态补偿的设- 。 沈mr 业人学倾i 学位沦文 一一 2 直线永磁同步伺服电机概述 2 1 直线永磁同步伺服电机的结构 直线永磁同步电机是在定予( 即次级) 上，沿全行程方向的一条直线_ i ：，一块接 块交替地安装n 、s 永磁体( 永磁材料为n d f e b 钕铁硼) ，如图2 1 所示。而动子( 即 初级) 下方的全长上，对应地多安装含铁芯的通电绕组( 永磁同步旋转电机则是定子， 即转子上装永磁体，而定子中含有电枢绕组) 。为此，动子必须带电缆一起运动。i “。 动子( 工作台) 图2 1 直线永磁同步电机结构( 俯视图) 2 2 直线永磁同步伺服电机的工作原理 直线电机在结构和工作原理上与旋转电机类似。图2 2 所示为直线永磁同步步电机 工作原理示意图。在电机动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，同样会产生气隙 磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布情况 与旋转电机相似，即可以看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时阳j 变化 时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线运动。这个原理与旋转电机原理相似，但：二者 存在差异：直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移的，而不是旋转的，因此，该磁场称 为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面一上的线速度v 。 t 称为同步速度) 是一样的。对于直线永磁同步电机来说，永磁体的励磁磁场与行波磁 沈阳r 业人学硕士学位论文 场相互作用便会产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，由于定子固定不动，那么动 子( 即初级) 就会沿行波磁场运动的相反方向作直线运动，其速度为v 。“：。 l 动子( 初级) 2 定子( 次级) 3 行波磁场4 永磁体磁极( n 、s 极) 图2 2 直线永磁同步电机工作原理示意图 2 3 直线永磁同步伺服电机的数学模型 直线永磁同步电动机( l p s m ) 数学模型的建立是控制和仿真的前提。假设： ( 1 ) 忽略铁芯饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗： ( 3 ) 初级上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 反电动势是正弦的。 取永磁体基波磁场的方向为d 轴，而q 轴顺着旋转方向超前d 轴9 0 度电角度参考 坐标的旋转速度即为等效的转角速度。参考坐标的空间坐标以q 轴与固定轴线( a 相绕 组轴线) 间的电角度以来确定。 在上述假定下，以定子参考坐标表示的电压方程及磁链方程为： ( 2 1 ) q q + + 叱 + + b 足 足 j | = q d “ rff【 沈阳j 二业大学硕上学位论曼 i 掣q 2 l q i q i k = l d i d + 甲， ( 2 2 ) 式中：l d , “。一，q 轴动子电压，单位为v ： ，甲。一，q 轴动子磁链，单位为w b ： i d ，i 。一，q 轴动子电流，单位为a ； 厶，l 。d ，q 轴动子电感，单位为h ： 见动子电阻，单位为q ； ，等效的转子电角速度( 珊，= 删，f ) ，单位为r a d s ； v 直线电机运动速度，单位为m s ； t 极距，单位为m m ； 甲，定子基波磁势链过动子绕组的磁链，单位为w b 。 方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) 表示了直线永磁同步电动机动态过程中各电气物理量之间的 关系，为电气数学模型。直线电机机械运动方程表达式为： f = k r i q = 五+ 尼+ k + m 9 ( 2 3 ) 式中：一负载阻力，单位为n ； r 端部效应产生的等效阻力，单位为n ； d 粘滞摩擦系数； 肘动子及所带负载的质量，单位为m ： k 。推力系数。 若系统采用电流跟踪的电压型逆变器p w m 闭环控制，是通过逆变器输出的定子电 压来控制电流的，可以选取电动机动子电流为状态变量，动子电压为控制量。电动机动 态过程的状态方程为： 写成矩阵形式为 r - d 鱼国 三。 。 1 - 2 d - d h q 一， l q ( 2 4 ) ( 2 5 ) 以上各式就构成了l p s m 的数学模型。7 ”、”。 2 4 直线永磁同步伺服电机矢量控制 在高性能伺服系统中( 如数控机床、机器人等) ，对直线永磁同步电机多采用矢量 控制。 在他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度由电刷和机械换向器所 同定。通常情况下，两者是正交的。因此，电枢电流和电磁转矩间存在线性关系。通过 调节电枢电流就可以直接控制转矩。 在交流电动机中，励磁磁场与电枢磁通势问的空间角度不是固定的，它随负载而变 化，这将引起磁场间复杂的作用关系，因此就不能简单地通过调节电枢电流来直接控制 电磁转矩。若通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁场进行空问定向控制，就可以直 接控制两者间的空间角度，将此称为磁场的“角度控制”。若对电枢电流的幅值也能直 接控制，就可将直线永磁同步电动机模拟为他励直流电动机，可以获得与直流电动机同 样的调速性能。由于既需要控制初级电流空间向量的相位，又需要控制其幅值，所以称 为“矢量控制”。在角度控制中，一个特殊选择是使电枢磁通势与励磁磁场问的伟度为 9 0 度正交。这种情况称之为“磁场定向”。通过磁场定向，可以获得良好的去耦特 性，使每安培电枢电流产生的电磁转矩最大，实现了交流电动机对直流电动机的严格模 拟。下面就直线永磁同步电动机的矢量控制原理进行分析。 兰坼 一 帅 。一厶一k + + q d 甜 毛一厶厶 十 一 d q 生岛r 一 一 一 = = ：0 q 嘲 土k 沈m ”l p 大学硕卜学位论文 2 41 直线永磁同步电动机( l p m s m ) 的矢量控制原理分析 以三相直线永磁同步电机为例，其相电压一电流向量图如图2 3 所示。其中女为端 电压，e 为感应电势，为相电流，r ，为电枢电阻。h ，x 。分别为电枢绕绢的纵轴、 横轴电抗。 图2 3l p m s m 的相电压一电流向量图 若对电流相位进行控制，使，与一左同相位，则向量图变为2 4 。 o ie i r s 图2 4 对电流相位进行控制的电机向量图 下面讨论此时电磁推力、电枳电流及磁通矢量之间的关系。其稳态时的时空向量图 如图2 ：5 所示。图中，为定子电流向量，九表示在空载时励磁磁极产生的主磁通向 量，办反映了磁极位置，驴。表示由电流，引起的电枢反应产生的磁通向量，多，表示主 磁通驴，和电枢反应磁通晓的合成磁通向量，实际匕，在直线同步电动机内它是有效磁 通。取主磁通方向为d 轴，超前d 轴9 0 度为q 轴，d 、q 轴随等效的电角速度功旋转。 沈阳工业大学倾+ 学位论义 则从图2 5 可看出：? 。定子电流向量与励磁磁极产生的磁通成直角方向，即仅有q 轴分 量而无d 轴分量。，产生的电枢反应磁通，只存在于与主磁通驴，成直角的q 轴方向。 由电机学可知，这时产生的电磁推力为： q 图2 5 稳态时l p m s m 的时空向量圈 f = k 7 f ， ( 2 6 ) 其中，量，为电机参数有关的推力系数。 式( 2 6 ) 和直流电机的转矩方程形式样。所以，当咖叵定时，只要对电动机定 子电流进行相位控制，使j 与一直同相位，则，。与转子磁极及其产生的磁通痧，相垂 直，从而实现了直线永磁同步电机按次极( 定子) 磁极位置定向的矢量控制，动子电流 全部为有功电流，并能象直流电动机一样方便地实现推力快速准确的调节。 2 4 2 瞬态电流指令的获得与实时控制 在以等效转子速度q = 邪，r ( v ，为直线电机运动速度) 的d ，q 坐标系中取 a 一静止坐标系，如图2 6 所示。设此时定子电流，。，己实现了按磁极位置定向的矢 量控制。 沈阳工业大学硕j 一学位论文 q k j ；l 。 一 0 图2 6 口一口静止坐标矢量控制向量图 图中，臼，= 一p ，疵( 若初级为定子，则没有前面的负号) ，经坐标变换得 。= ，。c o s ( 0 ，+ 要) 如= ，。s i n ( o ，+ 昙) 再将睇一口轴系变换到三相静止轴系a b c 中，得 0 f 拈忆 一j 了5 2i ( 2 7 ) ( 2 名) 由此可知，若，：为三相电流合成矢量幅值的指令值，则只需经式( 2 7 ) 和( 2 怎) 的变换，便可求得满足按定子磁极定向要求的动子三相电流的瞬态指令值f ：，i ：，f 。 矢量控制的任务就是控制初级三相电流来调节电流矢量的幅值、频率和相位，以达 到瞬时控制励磁和推力电流的目的。其电流控制性能的好坏，直接关系到整个系统动态 性能的优劣。为了提高电流的跟踪能力，系统采用电流跟踪型p w m 闭环控制策略。其 基本出发点在于通过对电流的闭环控制，强追电动机动子电流的频率、幅值和相位角都 口 q + 、 一 一 ，0 ，一22 一 一 污 i 1ll，l_ “靠0 沈阳丁业大学硕士学位论文 随指令值变化，从而提高电压型逆变器的电流响应速度。电流的快速响应也直接带动了 推力的快速响应，使磁场得到加速。直线永磁同步电机绕组中采用正弦电流( 非矩形波 电流) 控制，相应可减小推力脉动及波形畸变。 以a 相为例说明其工作过程：瞬i 刮电流指令0 与经电流传感器反馈回来的电动机实 际电流i 。进行比较，所得的偏差信号经电流调节器输出，经p w m 调制后褥到基极控制 信号，控制逆变器及i g b t 的通断状态，从而控制电动机的动子电压，强迫电动机动了 电流的频率、幅值和相位严格跟随指令值的变化。当采用p i 调节时，可实现电流无静 差跟踪。 2 4 ，3 系统的矢量控制原理框图 图2 7 为电流跟踪控制的结构图，它包括速度控制环节、电流控制环节、反馈检测 环节等。为电流( 推力) 指令，由速度调节器给出，为一直流量该指令值依据由位嚣 检测装置、解析器得到的p 值，经乘法器及2 3 变换器完成了式( 2 7 ) 和c 2 8 ) 的矢量 运算，得到三相定子电流的交流指令值i ：，f ：，f ：。使用电流传感器检测电枢电流并与 指令电流比较，按一定规律改变施加给电机的电压矢量，使电枢电流严格跟踪指令电流 的变化，从而完成了定子电流的矢量控制。 图2 7 直线永磁同步电机矢量控制原理图 瞬时值比较方式可以获得快速的动态响应，为了确保控制系统的可靠性，在电流比 较器之后加入滞环比较器，如图2 8 a 所示。其工作原理是：当实际电流j 。与指令电流 沈阳工业大学硕士学位论文 i ：之差t ，i a i 时，主回路大功率元件关断，当f 。一e 0 3 聊2 1 1v 时，q 0 ，g 掣( s ) g ，( j ) ，g 4 ( j ) g t , ( 5 ) g 。( j ) * 0 。通过低通滤波器q ( s ) 的设计可以较好地抵抗外界干扰。 ， y卜土p 挛f 一 生一fi干 一 n 习# 一商 。彳l 沈阳d l k 人学坝i 哮位硷文 由上面分析可见，q ( s ) 的设计是干扰观测器设计的一个重要环节。首先，为使 q ( s ) 眨1 ( s ) 正则，q ( s ) 的相对阶应不小于g 。( s ) 的相对阶；其次，q ( s ) 带宽的设计应 是干扰观测器的稳定性和干扰抑制能力之间的折中。 设g 。( s ) 的名义模型为g 。( s ) ，则不确定对象的集合可以用乘积摄动来描述，印 g 。( s ) = 瓯( j ) ( 1 + ( j ) ) 式中，a ( s ) 为可变的传递函数。 由鲁棒稳定性定理，干扰观测器q ( s 1 鲁棒稳定的充分必要条件是 l i a ( s q s ) l l 。1 ( 51 5 ) ( 5 1 6 ) 上式是q ( j ) 的设计基础，通过q ( s ) 的设计，可以实现鲁棒性的要求”。 5 2 2 基于干扰观测器的控制器设计 如图5 2 4 所示，本文采用主从结构，仅对主动电机使用位置控制。当主动电机受 到外界干扰产生位置同步误差时，从动电机的速度给定也随之变化，此做法能够提高控 制系统耦合机械的安全性。将干扰观测器应用于加工中心双直线电机驱动的x 轴方向 上，以抑制外部力矩干扰以及模型参数变化等因素造成的不同步现象。 图5 ，2 4 系统结构原理图 沈阳工业大学碗上学位论文 q ( 5 ) 的设计是干扰观测器设计t 中的个重要环节。首先，由图5 2 4i u 见， q ，( j ) g ：? ( s ) 必须是j f 则的，所以q ，( s ) 的相对阶应不小于g 。( j ) 的相对阶：其次，q ( j ) 带宽的设计应是在干扰观测器的鲁棒性和干扰抑制能力之间的折中。 设 1 瓯r ( 5 ) 2 二m o s ( i - i ，2 ) ( 5 1 7 ) 其中m 。为空载时动子质量。那么不确定对象的集合可以用乘性摄动来描述，即 g ，( s ) = g 。( j ) ( 1 + 0 ) ) ，( j _ l ，2 ) 式中( s ) 为可变的传递函数，g ，( s ) = 面i 了1 五。由这两个式子可得 z x ( s ) = ( m 1 0 - 石m ) f + ( - d ) ( 5 1 8 ) ( 51 9 ) 因为m 。为刀架处于横梁中心时动子的质量，而m 刀架偏离横梁中心时动予的质 量。可见，a ( s ) 可保证是最小相位系统。 由鲁棒稳定性定理以及干扰观测器鲁棒稳定的充分条件( 5 1 6 ) ，通过对其的设 计，可实现鲁棒性要求。由于a ( s ) 是最小相位系统，所以q ( s ) 的选择就比较容易。 除了考虑干扰观测器的鲁棒性外，还必须考虑其干扰抑制能力。所以干扰观测器的 频带的选择也是决定其性能的一个重要因素。在本文中，干扰观测器的频带，应在 系统同步误差信号频率和测量噪声n 的频率之间进行选择。 综合以上对鲁棒性和干扰抑制能力的分析，选得 f 的选择可通过仿真确定。 = 萨而3 r + 1 5 0 ( 5 2 0 ) 沈阳工业人学硕士学位论文 5 3 负载动态补偿的控制策略 当龙fj 移动式镗铣加工中心实现二维运动控制时，y 轴直线电机上刀架位置变化往 往会导致x 轴双平行直线电机等效惯量的改变，进而影响x 轴的同步输出特性。本文 提出了一种负载动态补偿的方法，依据力矩平衡原理( 如图5 2 5 所示) ，根据刀架位 置变化调整比例增益并补偿至x 轴两直线电机，使得系统能够保持较高的同步性能。 图5 2 5 力矩平衡示意图 当某一直线电机等效惯量增加时，其控制回路的电流输入至速度输出的传递函数将 产生变化，即玄j 志忽略粘滞摩擦系数) 。本文中所述的负载动态补偿原理 就是分别利用一个比例值来调整x 轴双平行直线电机电流输入至速度输出的传递函 数，使其维持恒定的关系，即里m = 面 i ，可得负载动态增益妒= ( 1 + 鲁) 。 式中w 为一个比例值，可定义为1 ，m 为y 轴直线电机动子质量，舢为等效的补 偿量。如图所示，定义长度a 、b 、c 、x ，x 轴上刀架和负载的质量m 1 。设横梁中心点 为坐标原点0 ，根据力矩平衡原理，可计算如下 当位移量为x 时， 骷x 幽瓜半) 卅：旦l 。 ( 口+ 6 ) ( 5 2 2 ) ( 5 2 3 ) 沈阳r t 业人学硕士学位论文 当m i 向左偏移时i _ 1 ，对主动电机进行补偿；当i n j 向右偏移时i = 2 ，对从动电机 进行补偿( 可通过再y 轴上安装位置传感器来完成) 。这样，通过凋整负载动态增 益，使系统仍维持良好的同步响应。 沈阳工业大学硕士学位论义 一 6 仿真研究 根据前述章节的阐述，以两台相同的直线永磁同步伺服电机为控制对象，结合具体 被控对象的参数及性能要求，采用m a t l a b 软件对第5 章中设计的双直线电机同步控制 系统进行了仿真，分析并验证了所采用方案的有效性“1 。 6 1 直线永磁同步伺服电机的参数 取一台直线永磁同步伺服电机，它的初级、次级的参数如下所示： 动子相数：脚= 3 相； 动子极数：尸= 6 极； 动子每相匝数：n = 2 1 6 匝相； 动子槽数：n s = 3 6 个； 动子齿距：r 。= 6 m m ： 动子槽口宽度：5 = 2 m m ； 动予槽深：d = 1 5 m m ： 动子铁心长度：，= 2 1 8 m m ； 动子铁心厚度：l = 8 0 m m ； 动子质量标称值：m = 1 1 0 k g ； 定子极距：f = 3 6 m m ； 定子永磁体厚度：日= 3 r a m ； 定子永磁体长度：w = 3 0 r a m ： 粘滞摩擦系数标称值：d = 1 2 n - s m ； 永磁体有效磁链标称值：甲，= 0 0 0 1 4 4 w b ； 动子电枢电阻：r 。= l2 q ： 动子q 轴电枢电感：l 。= 9 0 m h ； 额定频率：厂= 5 0 h z ； 电流推力系数：k ，= 2 5 n a 。 沈阳t 业大学l 】j i i 学位论文 6 2 仿真结果 6 2 1 基于模糊自适应p i d 控制的仿真 本文在空载情况下，采用两台参数完全相同的直线电机进行了系统仿真，仿真框图 如图6 1 所示。直线电机参数如6 1 节中所示。图6 2 为在t = 0 1 s 时，从动轴突加8 0 n 的阶跃扰动的情况下，模糊自适应p i d 控制与常规p i d 控制速度同步误差曲线的对 比。 图6 1 基于模糊自适应p i d 控制策略的仿真框图 1 常规p i d 控制位置同步误著 2 速度模糊自适应p i d 控制位置同步误差 图6 2 输入阶跃干扰时模糊自适应p i d 控制与常规p i d 控制位置同步误差曲线的对比 沈l ；f 11 业大学硕上学位论文 除了采用模糊自适应p i d 的控制方法外，本仿真还引入了速度前馈补偿，以减小伺 服落后。由仿真曲线可以看到，系统的同步位置误差较小，快速性和鲁棒性都得到了显 著提商，能够较好地满足被控对象对位置同步误差可保证3 5 m 的高精度的要求。 6 2 2 基于干扰观测器控制的仿真 本仿真是在与6 2 i 节相同的条件下进行的，仿真框图如图6 3 所示。图6 4 为系统 在t = - 0 3 s 时在从动电机轴上突加8 0 n 阶跃干扰的情况下，基于干扰观测器的控制方案与 应用常规的p i d 控制方案的对比曲线。 图6 3 基于干扰观测器控制策略的仿真框图 沈阳d 世大学砸士学位论文 l 一2 沙厂 一t 、 v 一 uu1u2u 了u 400ubu ，u 日0g1u 时间t s l 一基于干扰观测器控制方案的位置同步误差曲线2 一应用常规p t d 控制方案的位置同步误差曲线 图6 4 输入阶跃干扰时位置同步误差的对比曲线 本文在分析重型龙门移动式镗铣加工中心双直线电机驱动的两轴间不同步的主要原 因的基础上，应用了干扰观测器的控制方法来抑制双直线电机驱动的x 轴方向上的扰 动。还针对y 轴方向上的由于刀架位置变化导致的x 轴方向上的扰动进行了负载动态 补偿。由仿真曲线可以看到，此种控制方案是行之有效的，具有鲁棒性强，同步误差 小，反应速度快的优点，能够较好地满足被控对象对高精度的要求，提高了伺服系统的 性能指标。这对提高龙门移动式镗铣加工中心的加工精度有着十分积极的意义。 加 俺 坩 5 d 加 亘套州喽咽趔 沈阳工业大学坝i j 学位沧文 7 结论 本文以高速度、高精度龙门移动式镗铣床的龙门柱纵向进给的两台相同的直线电机 为应用背景，双直线电机同步控制问题进豹：了研究，从两个角度提出了减小同步误差的 控制策略。 1 基于同步偏差给定的控制策略 主要采用模糊自适应p i d 控制方法，并将其应用于双直线电机驱动的轴问反馈网 路，以抑制由于不同步引起的不平衡扭矩。仿真研究结果表明，此种方案鲁棒性、快速 性优良，能够较好地满足被控对象对高精度同步控制的要求。 2 基于扰动补偿的控制策略 主要应用干扰观测器来抑制加工中心双直线电机驱动的x 轴方向上的不同步现 象。此外，还针对y 轴方向上的由于刀架位置变化导致的x 轴方向上的不同步进行了 负载动态补偿。仿真结果表明，此种控制方案鲁棒性强，动态过程同步误差小，能够较 好地满足被控对象对高精度的要求。 同步传动控制技术是随着社会生产的发展而发展的，由于其应用的场合不同，所要 求的同步精度也是不同的。在数控加工这一领域中，由于同步误差决定了加工精度，因 此如何降低同步误差是保证加工精度的关键所在。总之，本文所提出的控制方法适合高 精度微进给数控机床的需要，具有现实的应用价值。 沈阳t 业大学倾_ 1 学位论文 参考文献 【1 】唐光谱，郭庆鼎，张凤等同步传动技术在龙门移动式镗铣床中的应用沈阳工业 大学学报2 0 0 2 ，4 ( 2 ) ：5 7 - 5 9 1 2 l 蓝益鹏，郭庆鼎龙门移动式锁铣加工中心自校正调节器控制组合机床与加工技 术2 0 0 2 ，1 ：3 8 - - 4 0 1 3 】3郭庆鼎，蓝益鹏双位置驱动直线伺服电机三重动态同步控制电工技术学 报2 0 0 3 ，2 ( 1 ) ：3 9 - - 4 2 1 4 j 4唐光谱，郭庆鼎基于。鲁棒控制器的高精度快速同步进给技术的应用研究电 机与控制学报2 0 0 1 ，9 ( 3 ) ：1 7 5 1 7 8 【5 1 唐元钢，郭庆鼎反馈解耦在双直线电机同步进给中的应用沈阳工业大学学 报2 0 0 1 ，8 f 4 ) ：3 0 1 3 0 4 f 6 j 赵春雨，朱洪涛，闻邦椿多机传动机械系统的同步控制控制理论与应用， 1 9 9 6 ，1 6 ( 2 1 ：1 7 9 1 8 3 【7 】高文章数控机床主机共性关键技术北京：机械工业部，1 9 9 5 【8 】郭洪澈，郭庆鼎双直线电机同步运动的白适应解耦控制器设计沈阳工业大学学 报2 0 0 1 ，1 2 佰) ：5 0 8 5 11 【9 】郭洪澈，郭庆鼎龙门移动式数控铣钻床的龙门柱同步控制方法组合机床与加工 技术2 0 0 1 ，7 ：7 m o 1 1 0 1 郭庆鼎，唐光谱，唐元钢等基于自适应控制的双电动机同步传动控制技术的研 究机械工程学报2 0 0 2 ，1 2 ( 1 2 ) ：7 9 8 1 【l l 】孙宜标，郭庆鼎基于加速度补偿的龙门移动式镗铣床双直线电动机滑模解耦同步 控制研究机械工程学报2 0 0 2 ，2 f 2 1 ：3 9 4 1 【1 2 】a n u r h e i n m o t o r - e l e c t r o n i cc o n t r o l p r e c i s i o no f p o s i t i o n ：c o n t r i b u t i o n sf o rt h ed e s i g n o f p e r m a n e n tm a g n e te x c i t e dd r i v es y s t e mw i t hm i n i m u m p a r a s i t i cs p e e dv a r i a t i o n v e r l a g d e rf a c h v e r e i n ea nd e ns c h w e i z e r i s c h e nh o c h s c h u l e nu n d j e c h u i k e n a u r i h 1 9 8 9 沈阳工业大学颂士学位论文 【1 3 】t h o m a sm j a k u s ，w e nl s o o n g p u l s a t i n gt o r q u em i n i m i z a t i o nt e c h n i q u e sf o r p e r m a n e n t m a n e t a cm o t o rd r i v e s ar e v i e w i e e e t r a n s i n d e l e c t r o n