（电力电子与电力传动专业论文）非线性pid控制器在直线电机同步传动中的应用.pdf

沈阳工业人学硕士学位论文 a na p p l i c a t i o no fan e wc l a s so fn o n l i n e a rp i dc o n t r o l l e ro n s y n c h r o d r i v ec o n t r o l a b s t r a c t ，h cb a c k g r o u n do ft h et h e s i si s t h e o r yo fd y n a m i cp r e c i s i o ns y n c h r o n i z a t i o n f r a v e r s e a 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 c r v od u a lp o s i t i o n l o o p ss y s t e m ( n o5 0 0 7 5 0 5 7 ) 一，w h i c hi ss u p p o r t e db yn 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 no fc h i n ai nt h i s p a p e r ，w ei n t r o d u c eat h e o r yo fn o n l i n e a rp 1 dc o n t r o la n dp u ti ti nt h es y s t e mo fm o t o r s s y n c h r o d f i v ec o n t r o lt h er n c t h o dh o wt 0d e s i g nan o n l i n e a rp i dc ot r o l l e ri sa l s o i n t r o d u c e d c o m p a r e dw i t hi i n e a rp i dc o n t r o l l e r ，t h i sm e t h o di st e s t i f i e dt ob ew e l l t i l el i n e a rp e m a a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o n ( l p m s m ) h a sa v o i d e dt h ee f f e c t so f t h e m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nc h a i n sf r o m r o t a r ym o t i o n st ol i n e a ro n e s ，a n dh a ss t r o n g e l e c t l + ( , n a g n e t i s mt l k r u s t ，l o w e rc o s t ，s m a l le l e c t r i c a lt i m ec o n s t a n ta n d1 - a p i dr e s p o n s ee t c w h i c hb e c o m e so n eo ft h eb e s te x e c u t i v em a c h i n e si nt h eh i 【g h - p r e c i s i o na n dm i c r o f e e ds e r v o s y s t e u li nt i f f sp 叫e c t u s i n gl p m s ma sd r i v i n gp a r t si nm o d e mm e c h a n i c a ls y s t e m si n v o l v e d h i g h p r e c i s i o ns y n c h r o n i z e df e e dt e c h n o l o g ys u c ha sg a n t r y m o v i n gt y p em i l l i n gm a c h i n ei s f i r s tp r o p o s e ds oa st ob r i n gt h e i rh i g h s p e e dd y n a m i cr e s p o n s ea b i l i t yi n t op l a yf o rr e a l i z i n g d y n a m i c a l l ys y n c h r o n i z e d 凫e d f h ei m l o v a t i v ci d e a si nt i f f sp a p e ri st or e p i a c et h el i n e a rf i x e d - g a i np i dc o n t r o l l e rf o ra n o n l i n e ：1 p i dc o n t r o l l e r b a s e d0 i it h es t e pr e s p o n s ec u r v e so fc o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ， w e a n a l y z et h ei d e a lv a r i e t yo f t h r e eg a i n si nd i f f o m n tt i m e sa n dc o n s t r u c tt h es i m u l a t e dc u r v e so f p r o p o r t i o n a l ，i n t e r g r a la i md e r i v a t i v eg a i n t h ec o n t r o l l e r sh a sc o n s i d e r e d a l ls o r t so f i m p e lc e p t i b l cn c t o r sa t l - e c t i n gt h es e r v op e r f o r m a n c e si nal p m s ms e l w os y s t e m ，w h i c h i n c l u d et h ep a r a m e t r i cu n c e r t a i n t i e sb m u g h tb yt h ec h a n g e so ft h em o b i l en l a s s ，t h ed y n a m i t i c p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e n la n dt h es i z eo fi n p u t t os o l v et h ep r o b l e mo fs om a n yu n k n o w n p a r a m e t e r s ，w er i s et r a n s m i ta r i t h m e t i ct of i n dt h ep a r a m e t e r sw h i c ha r ef i tf o rt h es y s t e m t ok e e p t h er o b u s ta n ds t a b l ep e r f o r m a n c e t h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m eh a sar i g o r o u st h e o r e t i cb a s e t h ec o n t r o l l e r sd e s i g n e dn o t o n l yg u a r a n t e et h es t a b i l i t yr o b u s t n e s sa n dp e r f o r m a n c er o b u s t n e s so ft h es y s t e mb u ta l s ot h e 2 沈阳工业大学硕j 二学位论文 t r a c k i n gp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ni s r e a s o n a b l e a n de t t e c t i v e k e y w o r d ：n o n l i n e a rp i ds y n c h r o d r i v e l i n e a rm o t c r s 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及i 义得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标滓和致谢的地方 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 沈工业火学或其他教育机构的学位或证炜所使用过的材料。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j 7 明确的说明并表 永一射恿。 签名：鑫迄匾u 期：塑! ：i 兰 关于论文使用授权的说明 世人完全了解沈阳工业人学有关保留、使刷学位论文的规定，即： 学校有十必保留送交论文的复印件，允许沦文被查阅和借阅；学校可以公 m 葩一l 门p 部或部分内容，町以采f j 影叫、编州二戈其他复制手段保存沦 吏 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签能：蘧遣醢 导师签名 汹j 珊递垡竺 沈阳工业大学硕十学位论文 l 绪论 1 1 课题的背景及研究意义 电动机应用于几乎所有的i _ 、l k 、国防及空间领域，是各领域发展的关键性基础技 术，因而电动机的精确控制技术是当前一个重要而活跃的研究方向“1 。随着工业的发 展，对各种机械性能和产品质量的要求也在不断提高，荸单对一台电机的控制在某些场 合已经不能满足需要，而需刈多台电机进行咖调控制。3 。同步传动控制就是协调控制中 比较常见的一种情况，它要求多台电机按同一给定信号运转，而保持速度、转角或位置 的一致。 同步传动在现代生产机械如同步振动机、轧钢机、印花机、振动筛等工程机械中已 有广泛的应用。国内已由专家学者在理论利应用上做了大量研究，取得了许多成果1 。1 。 但在现代加工设备中，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和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，都涉及到多个位置环间的同步进给控制问题。同 步迸给是指按工艺所要求的精度和快速性，实现多个进给装置的相对同步运行( 速度同 步) 或绝对同步运行( 角度或位移同步) 或者要求速度、位移等实现双重同步运行。通 常，它对同步精度和快速性的要求要比在单回路时对速度、位移控制的要求更高，这是 涉及到多个控制同路间相互关系并使其保持致性，而不仅仅是要求单个司路的高品质 问题。从广义上来讲，同步进给控制也可以归为同步传动的范畴。但在这甲，【j j 于对伺 服进给要求很高，所以阿许多不同于上柙机械中川步传动的理论问题需要解决，实脱力 法也有其特殊性。 在同步进给控制中，以龙门移动型数控重型镗铣床中的同步进给应用最为典型，它 的两个立柱分别由一化置环系统驱动，住这两个位置环之间要求同步精度高、响应速度 快，而输出端却具有强机械耦合，因而其控制难度大，其同步进给控制问题最具代表 性。重型数控龙门镗铣床特别适用于电力设备、船用柴油机、轧钢机架等多面体的空删 曲面铣削加工，是机械制造中较为理想的设备。龙门移动型的重型数控镗铣床与龙门固 定型相比，一般不受加工件的重量限制，在工件【丈度相同时，床身的总长度短，t 与地而 沈阳工业大学硕十学位论文 积小，运动体的惯性以及进给所需的电机功率也较小，但加工精度略差。为提高加工精 度，必须解决龙门框架、横梁等大犁移动部件在高进给速率下实现高精度的平行移动的 同步进给控制问题。由于龙门及其相匹配的部件、横梁及其相匹配的刀架等所组成的大 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一致性误差，以 及在运行中难以预料的各种不确定性扰动，所以尽管龙门柱两侧各采用一套完全相同的 传动机构，也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，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，并可能造成机械损坏。因此， 高精度同步进给技术目前仍然是世界各围重型机床行业所面f 临的重大研究课题。 目前，德国的数控重型机床在国际j 二处十领先地位，生产数控重型龙门镗铣床的 德国公司主要有w a l d r i c h c o b u r g 公司、w a d rk h 一刚e g e n 公司、s c h i e s s f r o rj e p 公 司等。w 蛆d r i c h c o b u r g 公司的龙门移动式龙门铣床采用双驱动元件、静压螺杆、矗柱 静压导轨，进柱间距为6 5 米，螺杆问距为9 米，山旋转变压器与比较器进行电子控制 使传动电机同步，同步误差为00 3 0 0 5 毫米。美目的主要厂家有l n g e r s o 公司 等，其铣削宽度为7 米的龙门移动式龙门铣床的两个j 7 柱分别出一台直流电机驱动，采 用闭环控制系统，位置检测采用精密齿条和旋转变压器，精度虽略低于感应同步器，但 i 耐环境能力强，维修方便，其同步误差为0 0 2 5r - 0 0 3 5 毫米。总之，当前国际水平的 代表性，4 品是由两台相同的旋转电机t 滚珠丝机分别传动，主要采用检测应力的补偿方 法进行静态解耦控制，达到的同步精度为0 0 3 一c o 0 5 毫米，还不能完全满足当前高精 度加i i 的要求，国际上也仍在进行深入的研究。在国内，仅北京第一机床厂与德国 w n lc c hc o b u r g 公_ 百! j 合作生产改炎机床，但龙门框架同步进给驱动装置由德方提供， 坩我国实行严密技术封锁。 在理论研究上，目前把多变量控制作为同步控制的基本方法，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r 一些研究成果，但并未从根本上解决问题“。”。山 于交流伺服电机的非线性、特性的不匹配性、转矩的有界性、负载和跟踪曲线的不确定 性及非线性等关键问题的存在，特别是在高进给速度下如佃获得高精度和品质与稳定的 鲁棒性，仍然是目前没有很好解决的重要科学与技术问题。 一2 沈阳j ：业大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代中划以后，直线驱动技术在许多精密定位领域中已得剑广泛的应 用，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。由于直线驱动消除t 4 # 统机 械传动链所带来的一系列小良影响，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。直线伺服进给比旋转电机 + 滚珠丝杠方式具有更高的动态响应能力和优良特性，它省去了中问机械运动的变换环 甘而成为零传动方式，是当i u 的一种发展趋势“。 p i d 调节方法具有控制原理简币，使用方便，适应性强，鲁棒性好等优点。常规的 线性p i d 调节器增益参数足 删定的，因而这种纯线性的控制器有其根本性的、难以克服 的基本矛盾：若要超调小，则难以保证快速性；而名：要动态过程快，则超调量将必然增 人。这一点想仅凭线性拎制器自身加以克服彳j 太容易。 针对这一问题，很多学者提出了非线性p i d 的思想，设计出多种多样的非线性p i d 控制器来解决这一问题。根据龙门移动式镗铣加工中心进给技术的特点，本文i l 是以两 台直线永磁同步伺服电机( l p m s m ) 作为高速度、高精度龙门移动式镗铣床的龙门柱纵 向进给的传动机构为应用背景，基于p i d 控制理论，对双轴直线伺服系统的进给控制问 题进行了深入的应用研究，设计出了一种非线性丽数，令其作为e ( t ) 、f 。( f ) 、坐里 “f 的系数。借助于遗传算法刘非线性p i d 控制器参数加以确定。这种方法设计的非线性 p i d 控制器能够克服超调量和快速性之间的矛盾。计算机仿真结果表明了该方法的有效 杜i 本课题的研究j , g - x , j 进步完善和提高同步进给理论和技术提供重要的参考，对我 国龙门移动型数控重型镗铣床等人型加 二设备的发展具有一定的现实意义。 12 直线电机及直线交流伺服系统的发展及应用悼3 3 早在1 9 世纪术与2 01 纪初就有人从事研究直线电机，当时研究直线电机有两 个目的，其一想用它来推动织布机上的梭了，其二想用它作为推动列车动力，但均未获 得成功。在以后很长的段时期内，虽有少量的研究成果，但都未进入实用阶段。赢至 5 ( 】年代中期，随着核动力的发展，需要抽吸钠钾混合物之类液态金属，于是就产生了 3 沈阳 一业大学硕士学位论文 作为电磁泵的直线电机。6 0 年代以来，随着超高速运输系统的需要，直线电机在这方 面的应用受到j ，极大的重视，许多国家开展了对直线电机的专题研究，于是直线电机的 理论和应用均获得了迅速的发展。 由于对感应直线电机的研究较早，电机的结构简单，坚吲耐用，适应性强，成 本低，所以在各个领域首先获得推广应用。其主要用途可归纳如下：工业直线传动：如 传动带、传送车、行李和货物存取的移动装置、桥式起重机或吊车的移动装置等；泵 送钠、剀、锅、钢等液态金属的电磁泵；) 工业自动装置的执行器件：如用作门、窗、 阀、丌荚的自动了 ：例装置、自动剪切线上的送进驱动装置等；用直线电机驱动的高速列 车；用于熔融液态会属的搅拌装置；电磁锤；车辆冲击试验台的加速装置；人造纤维的 拉力试验装置等等。以上这些方面的应用，感应式直线电机鄙是作为动力转换装置而使 用的，j 0 一刊期这种卣线电机是应用的主流。随着矢量控制理沦的发展和微电子器件与 控制技术的进步，感应式直线电机越来越广泛地作为伺服驱动应川到高精度定何系统 中。 与此州，随着高性能永磁材料的发展和价格的降低，永磁式直线电机在r ：多小 功率设备- jl 乜得到了广泛应用，主要是在各种设备中作为伺服驱动利精度较高的定f 讧控 制中。数控机胍的l 与线式交流伺服系统是a c 直线电机的最典型的一一个应用例子。半个 【丛纪以来，数控机床的进给驱动技术虽然历经变化，但长期以来，攮本的传动形式仍然 是“旋转电机 滚珠丝杠”。近年来，随着技术的进步与加工质嚣要求的提高，打破了 传统的进给驱动方式，卅现了新型的直线电机驱动方式，特别是直线交流传动方式，大 有力兴未必之势。 l = l 订，在数控机床上应用的主流是感应式直线交流伺服电机和永磁式直线交流 伺服电机。感应式卣线交流倒服电机结构有平面型和网桶型两种。对于直线行程小于 0 5 m 的场合，般倾i _ 丁采用网桶型结构。对于较长行程的感应式直线电机通常采用 平面型结构，平丽型结构又分为单边或双边初级形式，而次级通常都为鼠笼型，一股将 具有三相绕：1 二内初级作为动子，次级鼠笼作为定予，两者之剧大约有jr v f f f l 的气隙。这 种感应式直线电机一般都由s p w m 变频器供电。电机速度为2 - 3 m s 。作为伺服电机来 说，要能刈f - 运动位置、速度、推力等参量进行快速而又准确的控制，为此采用次级磁 d 一 沈阳1 = 业大学硕士学位论文 场定向的矢量变换控制。随着温度的变化，次级电阻也将产生较大的变化。为了准确实 现磁场定向，要求对其进行自动补偿，这和旋转式感应电机矢量控制的要求是一样的。 与旋转电机不同，在其数学模型方程中用推力代替转矩。更主要的不同点是在直线电机 中，由于它的初级f 铁心与绕组) 的实际长度是有限的，它有一个始端日终端。这两个端 部区域的磁场分布与中间位置的磁场分布显著不同，这将给电机的运行特性带来影响， 这就是通常所蜕的“端部效应”。这种现象只有在直线电机中爿存在。因此，如何消除 端部效应的影h ，也给控制系统提出了一个新的任务。应用的典型例了是德困e x c e l l o 公司在1 9 9 3 年丌发的x h c 2 4 0 型高速卧式加工中心，采用转速2 4 0 0 0 f r a i n 的内装电主 轴，二个进给轴在世界卜首次均采用i n d r a m a t 公司的感应式交流直线伺服电机直接驱动 进给部什，最矧夹速移动速度为6 0 m m i n ，最大加速度为g 一9 8 m s ：。 永磁式交流直线伺服电机利用高能永磁体，具有推力强度高、损耗低、时问常数 小、响应伙、拧制比较容易等一系列特点。其主要缺一是永磁体的高成本带来整体装置 的高价格，以及t 端部存在较严重的漏磁场，特别是在单边网桶型结构中，漏磁现象更 为“重。这种r u | 【l 分为平面型( 单边、双边) 或圆桶型。对于任何i i ) t 多i x ，均；刊孑初 级制成动子，玖级的水磁体作为定子。借助于支撑系统，动了和定_ j 二之问保持恒定的气 隙。用丁推力或位置控制的平面型直线电机，其运动行程j 达3 m 以l c ，对于行程长度 小于o 5 m 以下的情况，人们往往更愿意采用圆桶型结构，这样可以更好地利用材料， 使相廊的传动装置结构更加简单紧凑。平而型直线永磁电机的初级动r 结构又可分为铁 r 、一和4 14 j i 心j - j 。_ 种存有铁心| i 结构中，将电机的动子线罔缝制订。吲q ”h 用，- 删 磁路产生最大【1 | 摊j j ，采用高性能稀十永磁体和特殊的电磁设计，以获墩更大的摊力 重量比和推力功率输入比，减小推力波动。人推力使其有充分的能力加a 成速和移动较 大的质量。不管是下面型还是圆桶型结构，基本上可分为矩形波电流控制和 f 弦波电流 控制，采用i g b t 组成的逆变器供电，并用p w m 调制。虽然足电压型逆变器，但直接 受控的是电流，存般情况下，采用屯= 0 的控制策略，使电磁推力。z ，具有线性关 系。控制系统的基本结构是p i d 组成的速度一电流双闭环控制。j 朗t 1 1 _ j ：1 舆型例子是荧固 i n g e r s o l l 铣床公司 - 产的高速卧式加上中心i f v m 8 0 0 和x 、y 、z 轴均采用永磁同步随 沈阳r 业大学硕士学位论文 线伺服电机驱动的h v m 6 0 0 ，最大迸给速度为7 6 2 m r a i n ，加速度a = 1 1 s g ( g = 9 b i r d s 2 ) 。 在总体性能上，永磁式直线电机具有较大的优势，应用更为广泛。但从目前来 看，由于感应式直线交流伺服电机的成本略低，防尘与安装均较容易，并且在性能已接 近于永磁式直线电机的水平，所以其应用也是很j 泛的。 直线交流伺服系统除了在数控机床卜应用外，还在其它许多领域中得到了广泛应 用。例如：机器人；激光、半导体加工与榆查装霄；电子工、l k 中的抓放机器、插件机、 屏幕打印机、线路板检测和钻孔等：航空工业巾的e 行模拟器、重力测量装置、弹劓 器、宇宙飞船中的低温冷冻机等；计算机外围设备中的x - - y 绘图机、高速打印机、软盘 驱动漫畚 、数控坐标测量仪、平面电动给图机、复印机透镜移动装置等。随着微电子、 控制技术、电力电子技术和精密加工技术的进一步发展，直线电机的应用领域还将不断 扩大。 基j 二申j 磁工作原理的除上听所提到的感应r 刷永磁式直线电机外，还有直线式丌 必磁川同步电机、直线式步进机、永磁音圈式i i j t 电机等，它们在相应领域中也得到了 j 、i 玎。 高速和超高速加工要求伺服装置具有极高的加、减速度，从而导致了直线式交流 侗服乜机驱动系统的产生和发展。，在高精度微进给的数控机床伺服驱动系统中，由于对 直线交流伺服电机控制要求很高，所以必须综台考虑各种能使伺服系统性能变坏的因 素，以满足高精度微进给的要求。闽此，必须采取有效的控制策略抑制这些扰动。， 茁采瞅各种控制方法蹦，苍，划刘象授生站伪走奉清楚的认识，必须从直线交流 伺服电机传动系统是一个具有高度快速性的动态系统这一具体对象的特性出发。同时， 要针列严生扰动的不同原因的特殊件，以相应见长的控制策略对付之。伺服系统另一个 重要性能就是其列指令的跟踪能力，在理想情况l j ，输出能无延迟、无超调地跟踪输入 指令| = | 勺变化。一个成功的控制策略，必须针列其体刘象的特点，满足主要要求的同时， 兼顺跟踪能力和抗扰能力。在直线交流伺服系统中应用的控制策略大致归纳为以f 几 种：p 1 d 反馈控制、解耦控制等传统的控制策略；l j 适应控制、变结构控制、鲁棒控制 和预见控制等现代控制策略；模糊逻辑控制、神经蚓络和专家控制等智能控制策略。 沈阳工业大学硕十学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 本课题以两台直线永磁同步伺服电机作为高速度、高精度龙门移动式镗铣床的龙 门柱纵向进给的传动机构为应用背景，基于p i d 控制理淦，对双轴直线伺服系统的进给 控制问题进行了深入的应用研究，设计出了一种非线性函数，令其作为e ( t ) 、c ( f ) 、 型! 盟的系数。借助于遗传算法对非线性p i d 控制器参数加以确定。仿真结果表明，这 a 种：亏法设汁的非线性p i d 摔制器能够克服超调量和快速性之间的矛盾。 所做的具休t 作可总结如h ( 1 ) 在杏阅、分析人量国内外相关领域资料的基础上，对直线交流伺服系统及同 步进给控制问题进行了综述。 ( 2 ) 经过简化，得出直线永磁同步伺服电机的数学模型。 ( 3 ) 系统学习了p i d 控制理论，掌握了应用该理论进行系统设计的方法。 ( 4 ) 系统的学习了关于非线性p i d 控制理论，掌握了非线性p i d 控制器的性能及 特点。 ( 5 ) 对非线性p i d 夺制理论做了进一步的研究，设计m 了种非线件川) 控制擀 7 应用于直线电机的同步进给问题上，对系统的性能进行了全j 虹的分机。 ( 6 ) 仿真研究。采用m a f l a b 软件对系统进行了仿真，验证所提力案的合理有 效性。 7 沈阳 、【k 人学硕士学位论文 2 直线永磁同步伺服电机概述 伴随着永磁材料性能的不断提高和应用技术的不断发展，直线永磁同步电动机 以其高可靠性和高效率等优势而越来越受到青睐。它在推力、速度、定位精度、效率等 方面比直线感应电动机和直线脉冲电动机等具有更多的优点，是一种比较合适的直线伺 服屯动机。 2 1 线永磁同步电机的基本结构 直线永磁同步电机是在定子( 即次级) 上，沿全行程方向的一一条直线上，一块接一块 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 - l 所示。而动予( 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，动子必须带电缆起运动”。 罔2 1 直线7 j ( 磁唰步电机结构示意图 1 甑线导轨2 定子( 床身) 3 动t - ( i 作台) 4 动子电枢绕组5 承磁体 2 2 直线永磁同步电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构l 与旋转电机类似，而目工作原理也相似。如图2 - 2 所示为 卣线永磁同步电动机工作原理示意目。在这台白线电机动子的三相绕组中通入i 相对称 正弦电流后，同样会产生气隙磁场。当不考虑| = _ l 于铁芯两端开断而引起的纵向端期5 效应 时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可以看成沿展丌的赢线方f 向呈正弦分 布。当三相电流随时间变化时，。e 隙融场将按a 、b 、c 相序沿直线运动。这个原理j 旋转电机原理相似，但二柠存在差异：育线电机的气隙磁场是沿直线方向平移的，而不 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 是旋转的，因此，该磁场称为行波磁场。锓然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子 内网表面上的线速度k ( 称为同步速度) 是一样的。对于自戡永磁同步电机来说，永磁体 的励磁磁场与行波磁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 于固定0 i 动，那么动子( 即初级) 就会沿行波磁场运动的杆j 反方向作直线运动，其速度为 k 。，l 述便是巨线永磁同步电机的基本工作原理。 2 7 、 a 、z bxc，y l 同阅阁冈闭网一 图2 2 直线永磁同步电机工作原理示意图 l 动子( 初级) 2 定子( 次级) 3 行波磁场4 永磁体磁极( n 、s 极) 2 - 3 直线永磁同步电机的数学模型 建、，被控刈象一直线永磁同步电动机( l p s m ) t 9 数学模型是对其进行控制和仿真的 前提。存推导过程中，我们做如下假设： f 1 ) 忽略铁芯饱和； ( 2 不讣涡流和磁滞损耗： ? ) 仞级l 没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作，r 】： ( 4 ) 反 i = ! _ 动势足正弦的。 墩永磁体基波磁场的方向为d 辅，而q 轴顺者旋转疗f j 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。参考坐标的空问坐标以q 轴与固定轴线f a 相 绕组轴线) m 的电角度曰，来确定。 但l 述假定卜，以定予参考坐标表示的电压方程为： jz , i v = r i q + _ v 一( 2 - 1 ) c ，= r ，+ - f ，一d ，掣u q 一 沈阳上业大学硕士学位论文 磁链方程为： f_2三vj。(2-2) j = l i , t + 甲 在上述各式中，u d , 分别为d 、g 轴电压；，分别为d 、g 轴磁链； i d , i 。电流分别为d 、q 轴；k ，l 。分别为d 、q 轴电感；r 为动子相电阻： ，为等效的转子电角速度( c o ，= ，r ) ；v ，为直线电机运动速度；r 为极距： v ，为定子基波磁势链过动予绕组的磁链。 方程( 2 一1 ) 和( 1 2 ) 表不了直线永磁同步电动机动态过程巾各电气物理量之间的火系， 为电气数学模型。直线电机机械运动方程表达式为： f = k ，= f + d v ，+ 埘， ( 2 - 3 ) 式中，f 为负载阻力；m 为动子质量；d 为粘滞摩擦系数：k ，为推力系数。 若系统采用电流跟踪的电压刑逆变器p w m 闭环控制，是通过逆变器输出的定了 电压来控制电流的，可以选取电动机动了电流为状态变量，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 jl q 1 一芒5 j + 芎q 2 v + i 蝴 每一钞一扣一 月 l d o j ， 以 二各式就构成了l p s m 晌数学模型。 l _ “d l j “f 一甲， l 1 0 r 2 4 、 ( 2 - 5 ) 讣 坼b 一。 心 沈l , i k 人。学硕士学位论文 3 直线永磁同步伺服电机矢量控制 矢量控制思想是由德国学者丁l9 7 2 年提出的，首先是应用到感应电动机f i m 冲。 日i u 在高性能伺服驱动系统巾，例如数控机床、机器人等，多采用欠量控制的永磁, 却j j l 系统。 众所周知，存他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势问的窄叫角度 _ i = | fl i 删利 机械换向器所固定。通常情况下，两者足正交的。因此，电枢电流和电磁转矩川存y i 一线 性关系。通过调节i 乜枢电流就可以随接控制转矩。另外，为使电机在高速区能洲m n 率 方式运行，还可以进行弱磁控制。i t 是凶为在很宽的运行范闸内都能提供l i 控转矩，! f 流电动机爿在r 巳气传动系统r - p 得到了广泛心用。 与直流电动机不同，在交流电动机巾，励磁磁场与电枢磁通势问的空问角度0 i 足 固定的，它随负载i 而变化，这将引起磁场问复杂的作用关系，凶此就不能筋j l p 地通过凋 节电枢电流柬直接控制 n 磁转矩若通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁j , gj 荭j 1 j 空 问定向控制，就f , j - 以直接控制两者m j 的空怕j 角度，将此称为磁场的“角度挖制”。持刊 电枢电流的l 隔佰也能l + _ 接控制就可将卣线永磁同步电动机模拟为他励直流电z 讪机，1 j 以获得与直流电动机同样的调迷性能。由j ：既需要控制初级电流空间同量的制1 化，x ：，带 要控制其幅值，所以称为“父阜控制”，在角度控制中，一个特殊选择是使l 乜机磁通坍 。j 励磁磁场间的角度为9 0 度，f 交。这种情砂0 称之为“磁场定向”。通j 二! = 1 i 兹场j ( 卅 以获得良好的去耦特性，使每安培电枢 b 流产生的电磁转矩最大，实现了交流r 动机t 、】 商流电动机的严i 释黔捌【_ m m ：f 琶同步f 乜动机的矢量控制原删边亿吐。i 【j j i ，、 析。 3 1 直线永磁同步电动机( l p m s m ) 自, j 矢量控制原理分析 以一台动初级的二棚直线永磁同步电机为例，其相电压一电流向量图! c 罔3 一l 所 示。其中为端电压，为感心l 乜势，为相电流，r 。为电枢电阻，x ，工。分别为 u 枢绕组的纵轴、横轴电抗。， 若对电流相位进行控制，使，与e 同相位，则向量图变为幽3 2 。 鲨塑三些查堂堡主堂堡丝塞 冈3 - 1 l p m s m 的相电压一电流向量图 图3 - 2 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、电枢电流及磁通矢量之m 的关系。其稳态时的时空向量图 如图3 - 3 所示“图巾t 为定子电流向量，谚，表示在空载时励磁磁极，n ：生的主磁通向 量，亦反映了磁极位置，疲表示由电流t 引起的电概反应产生的磁通向量，痧表示主 磁通野和电枢反应磁通谚，的合成磁通向量，实际h 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，旋 转“则从罔3 3 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 轴分劈而兀d 轴分量。，产生的电枢反应磁通谚只存存于与主磁通痧，成直角的q 轴方 向n 由电机学可知，这时产生的电磁推力为： f = k r i ， ( 3 1 ) 其中，k ，为电机参数有关的推力系数。 q a q 列3 3 稳态时l p m s m 的时空向量图阁3 - 4 口 静i t 坐标系欠量控制向量图 式【3 1 ) 和直流电机的转矩方程形式一样。所以，肖驴，恒定时，只要对电动机定子 电流进行相位控制，使，和一应同相位，则，。与转子磁极及其产生的磁通办相垂直， 从叮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。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 瞬态电流指令的获得与实时控制 在以等效转子速度珊，= 一，r ( v ，为直线电机运动速度) 的d 、q 坐标系中取d 一 静止坐标系，如图3 - 4 所示。设此时定子电流t 已实现了按磁极位置定向的矢最控制。 图中，0 ，= 一b ，d t ( 若初级为定子，则没有前面的负号) ，经坐标变换得 。一。c o s ( o + 昙) 。 r 3 2 、 ，。一，s i n ( 0 ，+ 昙) 再将“一口轴系变换到三相静止轴系a b c 中，得 三l 一上 、3 2 1 l 2 ( 3 - 3 ) 由此可知，0 7 ：为二相电流合成矢量幅值的指令值，则只需经r f 3 2 ) 和( 3 3 1 的 变换，便可求得满足按定了磁极定向要求的动了三相电流的瞬态指令值z j ，j i ，j ，。 矢量控制的任务就是控制初级- - 2 - h 电流来调节电流矢量的幅值、频二缸和相位， 以达宝i 瞬时控制励磁和推力电流的日的。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r 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。其基本出发点诅二于通过对电流的闭环控制，强迫电动机动子电流的频率、幅值和相 位角邬随指令值变化从而提高f i = ! _ 爪型逆变器的电流响应速度。 乜流小川u 虫i l l , , j 、；也自接 带动j 7 摊力的j | 火速响鹿，使磁场得剑加速。直线永磁同步电机绕组中采jt ji 瞄幺电流f 非 矩形波电流) 控制，l 、r 应j 。减小推力脉动及波形畸变。 以a 相为例说明其一 作过程：瞬间电流指令i ：与经电流传感器反馈l u | 来的电动机 实际电流值i 。进 n e 鞍，所得的偏差信号经电流调节器输出，经p w m 调制后得到基极 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 动子电流的频率、幅值和相f 记严格跟随指令值的变化。当采用p i 渊节时，可实现电流 无静差跟踪。 1 3 鲨j坠!：些查堂堡主堂笪堕兰 3 3 系统的矢量控制原理框图 图3 - 5 为电流跟踪控制的结构图，它包括速度控弗环节、电流控制环节、反馈检测 环节等。艺为电流( 推力) 指令，由速度调节器( 如上k 速度控制器) 给出，为一直流量。该 指令值依据由位置检测装置、解析器得到的口值，经乘法器及2 3 变换器完成了式f 3 2 ) 罔3 - 5 直线永磁同步电机矢量控制原理图 干1 1 ( 3 - 3 ) 的矢量运算，得到二相定了电流的交流指令值e ，i ，。使用电流传感器检测屯 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，使电报电流严格跺 踪指令电流的变化，从而完成了定子电流的矢量控制。 1 l t 一，0 a ia 、 一 图3 - 5 ( a ) 滞环比较器 图3 - 5 ( b ) 电流波形 瞬时值t e 教方式i i j 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，如罔( 3 5 a ) 所示。其工作原理是：当实际电流i 。指令电 流e 之差f 。一e a i 时，主回路人功率元件关断，当，。一c a i 时，主m 路大功率元 件导通，滞环宽度2 f 的选择应根据控制精度要求，结合大功率元件的允许开关频率以 一1 4 。 沈阳工业大学硕士学位论文 及电机的具体参数综合确定。这样，经过滞环控制后的实际电流波形如图( 3 5 b ) 所 不。 在实际系统中，逆变器的逆变频率取决于等效的转角速度，凶为设置了磁极位 置检测环节，逆变器触发信号就来源于定子位置信息。这就保汪了逆变频率始终与等效 的转角速度，相等，即t 与五。一定同步旋转。正因为如此，常将这种运行方式称为 “自同步”或“自控”式。 一1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 4 直线交流伺服系统的控制方法 4 1 影响系统伺服性能的扰动因素及其补偿方法 在伺服系统中，扰动是造成系统伺服性能下降的主要因素。特别是在要求做微进 给、精加工的数控机床中，一个很微小的扰动往往会导致加工产品表面出现明显的划 痕，从而降低，。品质黾，甚至使产品报废。凶此，对于一个伺服系统来说，抗干扰性是 衡量其伺服件能的重要指标之一。 为了提高系统的伺服性能，使系统具有优良的工作品质，必须对扰动加以抑制。抑 制效果的好与坏墩决于对扰动补偿的程度。只有对扰动实现全而补偿，才能获得优良的 系统伺服性能。冈此，我们必须了解在系统中存在那些影响系统伺服性能的扰动因素及 其对系统性能影响的程度。 影i i 向系统伺服性能的扰动因素多种多样，说明如下。 1 负载阻力扰动 对 二直接驱动的直线伺服系统来说，无论是位置伺服系统，还是速度伺服系统，都 是带动被控划象做电线机械运动。被控对象就是系统输出端的机械负载。在电动状态 下，负载阻力的作用方向与电动机的运动方向( 即电磁推力方向) 相反。 为使电动机带动负载作直线运动，就必须克服负载阻力。在电动机运行时，负载的 变化会改变负载阻力的大小，造成电动机运动速度的波动，从而导致系统伺服性能下 降。冈此，侄高性能伺服系统中，必须对负载阻力扰动加以辩识和补偿。通常的方法是 采用状念观测器法或参数辩识方法对负载阻力进行观测和辩识，然后进行实时在线补 偿。 2 风阻阻力扰动 当电动机带动大体积负载作高速直线运动时，应当考虑风阻阻力对电动机运动性能 的影响。通常，风阻阻力妒，与负载速度的平方v 2 成正比， 。d = 凡，。d v 2 ( 4 一1 ) 式巾，比例系数 涮称为风阻系数。 通常，我们将风阻阻力扰动作为等效负载阻力扰动的一部分加以补偿。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 3 摩擦扰动 当物体在另一物体表面上滑动或有滑动趋势时，在接触面上就会有一种阻碍它们 相刈滑动的力，这种力就叫做摩擦力。按照运动状态的不同，可将其分为静摩擦、滑动 摩擦。运动体在流体介质中运动，通常噪声与运动速度呈正比的粘滞摩擦，成为粘滞摩 擦力。 从控制角度出发，可以将摩擦力看作由系统外部进入系统的一种扰动。在位置或速 度伺服系统中，当电动机做低速运行时，如果对摩擦力补偿得不适当，则可能产牛较大 的系统跟踪误差，从而降低系统的伺服性能。 ( 1 )静摩擦扰动当物体有滑动趋势，尚未滑动时，作用在物体上的摩擦力称为 静摩擦力。当推力f 逐渐增大时，静摩擦力也逐渐增人，当推力。增大到一定值时， 物体开始在地而上滑动，这说明静摩擦力增大到某一值后，就不再增加。显然，静摩擦 力仪存在于v = o 时刻。静摩擦力的最大值称为最大静摩擦力，用。表示，。的大 小与两物体间的e 压力n 成正比，即 。“= 卢，n ( 4 2 ) 式中，比例系数儿称为静摩擦系数。 ( 2 ) 滑动摩擦扰动物体在滑动过程中受到的摩擦力只的大小与两物体问 的正压成正比，即 图4 - 1 静摩擦力示意图 吩= p s n = l 吩s 缈( v ) ( 4 3 ) 式中，比例系数，r 。称为滑动摩擦系数，s i g n 表示符号函数，其值决定于电动机的运 动方向，即 一1 7 一 沈阳上业大学硕十学位论文 s i g n ( v ) = k 菘( 4 - 4 ) 滑动摩擦力力的幅值总是小于静摩擦，即心小于“滑动摩擦力和静摩擦力