（电力电子与电力传动专业论文）直线伺服双位置环动态同步进给的模型参考自适应控制.pdf

婆型王些查堂堡主堂笪堡奎 m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v e c o n t r o lf o r d y n a m i c a l l ys y n c h r o n i z e d f e e db e t w e e nt w ol i n e a rs e r v op o s i t i o n l o o p s a b s t r a c t ak i n do fn e wc o n t r o lt a c t i c s ：d e c o u p l i n gc o n t r o la n dm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ( m r a c ) i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ep a p e ri st h ep 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 n l od u a l p 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 st h eb a c k g r o u n d ，w h i c hi s s u p p o r t e db yn a t i o n a l n a a t r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a d r i v ed i r e c t l yb yl i n e a rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sa cm o t o r ，t h ec o n t r o l l e dp l a n t e l i m i n a t e sm i d d l ed r i v ep a r t sa n da v o i d st h ee f f e c t so f t h em 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 dl p m s mu s i n gh i g he n e r g yp e r m a n e n tm a g n e th a ss t r o n g e l e c t r o m a g n e t i s mt h 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 e c o n s t a n ta n d r a p i dr e s p o n s ee t c u s i n g l i n e a rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sa cm o t o r sa s d r i v i n gp a r t s i ng a n t r y - m o v i n gt y p e m i l l i n gm a c h i n ei s f i r s tp r o p o s e di nt h i sp a p e r , t o 城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 e a b i l i t yi n t op l a yf o rf a r l h e rr e a l i z i n gr a p i ds y n c h r o m s m d e c o u p l i n g c o n t r o lm e t h o di s a p p l i e d t ot h e g a n t r y - m o v i n gt y p e m i l l i n g m a c h i n e s y n c h r o d r i v ei nt h i sp a p e r t w os a l v os y s t e mo u t p u t sa r ec o u p l e db ym e c h a n i s m f r a m e w o r k t h e ya r e t r a v e r s e da ss a m es p e e di n s t r u c t i o na n dh a v en od i r e c t c o u p l e dc o n n e c t i o no n e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s a sp a y l o a d d i s t u r b a n c e s a c t i n g o nt h et w o m o t o r sc a l l tb e n o n c o i n c i d e n t a l ，t h em o t o rs p e e d sc h a n g ew i t ht h ep a y l o a d so f t w om o t o r s ，a n dc a u s ep o s i t i o n a s y n c h r o n e s i no r d e rt o r e t u r nt ot h es y n c h r o n o u ss t a t e ，t h r o u g hc h a n g i n gt h em e c h a n i s m p o s i t i o na s y n c h i u n i e s i n t oe l e c t r i c a lc o n t r o lv a r i a b l e s i ti sr e s u m e ds y n c h r o n o u ss t a t eb ， c o n t r o lv a r i a b l ed e c o u p l i n g an e wa d a p t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yi sf i r s tp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n da p p l i e dt ot h e s y n c h r o d r i v e f o rg a n t r y - m o v i n gt y p em a c h i n i n g c e n t e rs e i v os y s t e m ，i no r d e rt or e s t r a i nt h e m a c h i n ec o u p l i n gi n f l u e n c i n gd u a lm o t o r ss y s t e m ，a na d a p t i v ed e c o u p l i j 培c o n t r o lt e c h n o l o g y i s f i r s t p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r , a n dt h r o u g h f e e d f o r w a r dd e c o u p l i n g ；t h ed u a ll i n e a rm o t o r s c o n t r o l l e r sp a r a m e t e r sw i l lb em o d i f i e db yt h ef e e d b a c k t h es y n c h r o n o u sc o n t r o lc a u s e db y 2 一 淀鞭i ：妊大学硕一l 一学德论文 t h e , f e e d b a c kr e s u l t i n gf r o mt h e a d a p t i v e c o n t r o ll a ww i l lk e e p s y b c l h 毽n i s 糯w i t hd u a lm o t o r si n p o s i t i o nf o rr e a l i z e ds y n c h r o d r i v e h er e s u l t so f s i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h e p r o p o s e ds c h e m e sh a v et h ea d v a n t a g e so f r a p i d r e s p o n s e ，s t r o n gr o b u s t n e s s ，a n dl o ws y n c h r o n o u se r r o r i tm e a l , sal o t 妇i m p r o v i n gt h e s y n c h r o n i z a t i o np r e c i s i o no f a u t o m a l i cc o n t r o lm a c h i n e t o o l + k e yw o r d s ：d e c o u p l i n gc o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o l ，s y n c h r o d r i v e ，l i n e a rp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( l p m s m ) 。 3 一 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 作及取得的硬究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注藿珏致谢的地方 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傲厂明确的说明并表 示了谢意。 签名：盘选选疆期：竺! ! ：兰：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳王监大学有关保留、袋麓学位论文憝觏定，鄂： 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 蠢论文鲶全都或部分内容，可以采用影印、缩印或其缝复铡手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后瘦遵循此规定) 签名：盘睦! 坠导帅签名： 日期： 哆羔三兰， 婆塑三些型翌塑堡墼一 1 引言 1 1 课题的背豢及研究意义 本课题是以因家囊然科学基愈资助壤屈壹线镯照双使置坯动态精密弱步进绘理论 和实现方法研究( n o5 0 0 7 5 0 5 7 ) 为背添进行研究的 1 。 霞询二多：e 监领域申，被控对象懿运动黪径链拄是直线运魂形式。僵遗撼熬是，由l i 赢线运动驱动器没有得到充分的发展，长期以柬不得不借助于旋转电机的旋转运动加上 梳械交换环节，丽获得簸终的直线运动。这种後褥直线运动豹方式具有“问接”的性 质。如粜驱动器能给被控对象直接提供直线运动形式的推力，那么两者在运动形式。卜就 直接匹配一致了，省去了中间的变换环节，具有天然的合理性。近年来，随着技术豹进 步j 加l ：质量和效率要求的提意，出现了毅型的敷线电动机b e 动方式。这主要是鼹为传 统的伺服进给方式巾，i h l _ j 于中洲传动环节的存在，使进步提高系统的速度和精鹰变得 莰墨难。螽毫遮积趣毫速蕊王要浆翻黢装器具有摄裹懿舷、溅速发，为满足超高遮翩】： 的需要，革除巾问传动及变换环节已是势在必行【2 】。这就使得直线伺服电动机控制系统 j 藏运丽生。 高速龙门移动式镗铣床龙门柱的双或线电机同步驱动是直线伺服双位罱环动态精密 同步遂给的典型应用。随着键锍加工技术的发蕊，常常需要对大篓| 整体零件和j l 何形状 复杂的型面避行加工，传统的龙门镗铣床工作台沿导轨纵向进绘，难以获得高的加速 度；同时冈受工作台长度的限制以及工作场所的爱求，对于大型复杂碰衙的r 奇速加工已 远远0 i 能潢足黉求。薅凝速龙f 1 移动式键铣庆，在潢足动、静态刚度的憾况下，让工作 台、工件保持静止，龙门柱沿导轨纵向进给，从而获得商的加速度特性【3 【4 。但mj 二 横染、7 j 粲等掰篷鼗纛每大黎移动罄俘，并不惑是形成对髂结稳与x 幸霸；受力，隧及各秘夸 确定性扰动，尽管龙门柱两边采用完全相同的传动机构，但最终还是4 i 能保证龙门框架 移动的一致性，这稀枫械藕合可能使龙门框架或驻动元张：受到损坏。辑瑷，嗣步囊线传 动是这类机床保证加工精度和速度的关键技术。 同步传动存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 蠹j “泛的应嗣。国内已由专家学者存珲论和应尉l 二做了大量的研究，取褥了许多研究成 婆型j ：鎏丕堂堡主堂堕堡茎 果【5 】【6 】【7 】【8 】。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 枧的电波同步控制，大型、重型、超重型的数控龙门移动式镗铣床瞧龙f l 毒圭积横巢蛔尾 步进给控制，某嫂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 绘控潮翔题。 同步进给是指按。i 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 ( 速度嗣步) 或绝对霜步运行( 霸度或位移) 或者要求逮瘦笾移实现双霪霜步运行。 通常，对同步精度和快速性的要求，要比在单回路时对速度、位移控制的臻求更高，这 是涉及副多个控制西路间的相互关系并镄其保持一致性，而不仅仅是要求单个回路的高 品质问题。由于在多个回路问存在羞强烈的耦台和诸多不确定性，这就有必要研究新的 高精度快速同步进给理论和实现方法。在理论研究上，鞠前把多变量控制作为同步控制 懿基本矗法，瓣凝后秀对蓥一划臻采月萎耪先进瓣控制方法，如交叉鹚台於偿控制、最 优控制、前馈控制、变增益控制、滑模变结构控制等，郝取得了一些研究成果 9 一1 4 】， 登荠未完全瓣凌闫题。由予交流饲缀电橇豹 线性、耩稳豹不嚣嚣瞧、转矩兹有羚性、 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何获 得高精发和品廪与稳定酌鲁棒往，仍然怒舀前没旃穰好解决的重簧科学与技术闳越。因 此，高精度同步进给技术目d t 仍然是世界各国重型机床行业所面临的重大研究课题。在 同步迸给控制中，以龙门移动型数控重型镗铣床中的同步进给应蠲最为典涎。双位置环 同步遘绘是大型数控龙门镗铣床卡分重要的关键技术，它不仅可以解决龙f 1 框架的同步 移动问题，同样也可以解决横粱 = 下同步移动及横梁因铣头水平移动而造成的倾斜问 遂。本深题霹耱决多毫季慝裹壤度霆步遴绘帮协调控毒l 等此类运题具骞普遍意义，潮时可 以完善和提高同步避给理论和技术，而且对我国麓型龙门镗铣床等大型加工设备的发展 委具有霞大瑷实意义，蕤社会效益帮经漭效益穗建重大豹。 1 2 直线电机及直线交流伺月最系统的发展与| 应用 最早明确掇到直线电机的文章是1 8 9 0 年隧兹堡市长所写蓑于感应电机的一篇专 巅。接游在1 8 9 5 年w e a v e r ，j a c q u a r d 电梭子公司发表了一豢专利，对于把直线电机蹋 作织布桃的梭子推进器抱有很大的希望。当时研究直线电机有两个目的，其一想用它柬 接动织蠢凝土鲶梭子，其二怒鬻它痒为攒动弱车凌力，稳筠束获褥或功。在以后缎长躲 2 婆塑! ：些壅堂堡主堂鱼堡塞一一 段时期内，虽肖少量的研究成果，但都未进入实用阶段。直至5 0 年代中期，随菊核 动力的发展，嚣耍撼吸镳键混合甥之类液态金聪，于是簸产生了 乍为电磁泵的直线电 机。6 0 年代以来，随着超高速运输系统的需要，囊线电机在这方嘶的应用受到了极大 瓣重筏，许多菡容开疑了对壹线电瓿熬专题疆究，予是鸯线电撬懿理论蟊应蘑均获缮了 迅速的发展 1 5 1 8 】。 直线电辊主要是囊：线电动税，它是一种蒋电能直接转换成鲞线运动祝械能丽不需任 何中怄j 转换机构的传动装舞。它是2 0 世纪f 半叶电工领域中出现的具有新原理、新理 论的新技术。它所具有的突出优势，己越来越引起人们酾重视，不久的将束，它将像微 电子技术和计算枧技术“捞，在人类的嚣令领域中得到广泛的应用。 甑线电机的结构可以根掘需要制成翩平型、网简型或盘型等各种型式。它1 1 j 以采用 交凌电源、直流电源或躲冲电源篱各秘毫澡进嚣x 乍。壹线电枫可以在，t 秒睾孛肉撼一絮 几千千克重的或升飞机挣到每小时几西千米的速度，它在真空中运行时，其时速可达卜 ，j 哥米。在军事主，久们剩鳎它铡减各萃孛电磁斑，劳试聱将它罔予导弹、失蓑斡发藜； 存交道运输业l p ，人们利用直线f 乜机制成了时速达5 0 0 k r n h 以上的磁悬浮列车；在工业 领域，赢线电税_ 被用于生产输送线，以及备耪横向或垂童运动的一些辊械设备中；直线 电机除具有高速、大撂力的特点以外，逐具有低速、精细等另一魑特点，例如，步进直 线电动机，它e 盯以做到步距为1um 的精度。因此，直线电机又被应用到许多精密的仪 爨设餐巾，如诤葵枫的磁盘驱动装嚣、照档枫懿快门、窭动绘图仪、医疗仪器、靛天航 窄仪器、各种自动化仪器设蔷等。除此之外，随线电机还被用于各种备样的民用装置 中，热门、窑、集、榜懿移动，f l 镁、电魂密露躲开舞等等。以_ 乏这些方蘸熬应用，感 心式直线电机都是作为动力转换装置而使用的，前一时期这种直线电机韪应用的主流。 随着矢：l 藿控制臻论豹发餍秘徽电子器件与控翻投术的避步，感应式矗线电辊越来越广泛 地作为伺服驱动应用到高精度定位系统中。与此同时，随着高性能永磁材料的发展和价 格的降低，永磁式直线电机在许多小功率设备中也得到了广泛应弼，主簧是在各种设备 中作为佩服驱动和糖度较高的定位控制巾。数控机床的氟线式交流伺服系统是a c 直线 电机的最典型的一个应用例子。近年来，赢线交流传动方式大有方兴未艾之势。 3 沈目 工业人学硕士学位论文 综上所述，直线电机可广泛地应用于工业、民用、攀事及其它各种赢线运动的场 会，粟蠲直线毫提驱动懿装置帮其它a 壹线电撬g g 魂熬装爨稳毙，它考以下挽点 1 9 1 ： ( 1 ) 采用煎线电机鞭动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力，因 噩艺，它胃以省去中阉转换辊麓，麓亿了整个装置域系统， 暴证了运行翡可靠性，稳高了 传递效率，降低了制造成本，易于维护。 t 2 ) 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周逸度受到限制；丽矗线电机运 亍时，它的零部忭和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因丽它的卷线速 度可以不受限制。 ( 3 ) 直线电机是邋过电能囊接产生嶷线电磁接力懿，它在驱动装置内部，其运动 可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗。例如赢线电机驱动 熬磁悬浮列车裁蹩露瑟。 ( 4 ) 旋转电机通过钢绳、齿条、传动带等转换机构转换成崮线运动，这些转换机 襁在运行中，萁噪声是不可避免的；而誊线电枫麓靠电磁维力驱动装置运行秘，馥整个 装置或系统的噪声很小或无噪声，运行环境好。 ( 5 ) 由于赢线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧稀脂等密封成 整体，所以可以在一些特殊场合中应用。例如可在潮湿甚至水中使用，可在有腐蚀性气 体或有毒、有害气体中应用，亦可在几r 腹的高温下或零下几百发的低温下使用。 ( 6 ) 由予囊线电凝结梅麓孳，葵熬热效暴氇较好。特裂是攀爆豹扁平型短拐缓壹 线电机，初级的铁心和绕组端部，直接曝露在空气中，同时次级很长，具有很大的散热 两，热爨稷容鬟散发簿，所瞄这一类壹线电撬翡燕受蕊可淡取褥较高，并且不需癸辩黯 冷却装黼。 当然，任何事物都怒分为二的，赢线电丰凡也不铡外，它也存在着蠼环是之处， 主要表现在以f 蕊个方藤： ( 1 ) 与同容量旋转电机相比，直线电机的散率和功率因数要低，尤熊在低速时比 较曝壁。萁蹑嚣主要是 蠡甄个方程引起懿；一是蠹线电搬的租次级气黢般比旋转电极 的气隙火，因此所需的磁化电流较大，使损耗增加；二怒由于直线电机初级铁心两端开 断，产，羔了繇落憝逮藕散应，轶覆引起波形磅变簿滔霆，葵结巢纛导蘩援凝堪热。但扶 4 一鎏堕! ：些銮茎堕主篓堡笙壅 整个装簧或系统来看，m 于采用赢线电机后可省去中闻传动装置，因此系统的效率有时 还是滋添瘸旋转电撬豹巍。 ( 2 ) 直线电机特别魁直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故需采 敬有关撬旌绦迁电源熬稳定或改变毫瓿懿有关祷浚幕躐少蕊清除这静影跨。 需说明的悬，与茸流伺服系统) f hl c ，交流伺服系统已经成为当今伺服系统应用和发 腰的主流【2 0 】，围此准确缝浼，应该是誊线交流电视传动技术已成为当自h 机床技术发蓑 的。种颧动态。 与旋转交流电机的分类相x t 应，直线交流电机按照工作原理的不同也可分为永磁商 线同步电视和直线异步电钒( 或称篾线感应电枫) 嚣类。特潮是永磁直线同步电机，嫩采 用高能永磁体，具有高推力强度、低损耗、电气时间常数小、响应快速、舄于实现矢量 簸藕控豢l 等特煮，麸焉戏为裹逡翔工积离精度徽送给加工饲骚系绞撬露撬褥戆最佳选 择。表1 i 列山了两类电机部分性能的对比情况。从中可以看出，永磁直线同步电机具 有更优越翁总髂性憨。 直线交流电机类型永磁直线同步式直线感应式 单位面积电磁推力大小 效率月低 电极中置传感器要不要 l霹控性驽差 进给平稳性好差 动力京i 动可畿尚无 对气隙( 间隙) 调整的要求低 晶 尘埃防护难易 磁吸力常燮变量 安装时的磁吸力大小 表 1 瑟类壹线f 魏凝款毪辘黠比 一5 - 沈阳1 ：业太学硕士学位论文 永磁直线同步伺服电机驱动应用的典型例子鼹蓑国i n g e r s o l l 铣床公司生产的高速卧 式鸯e 工中心h v m 8 0 0 窝t t 氏t m 6 0 0 。它的x 、y 、z 轴均罴建隶磁矗线霹步伺服电樵驱 动，最大进给速度为7 6 2 m m i n ，加速度a = 1 1 5 9 2 1 1 。 美国k o t l m o r g e n 公司跫整器上著名静工翌运动控割厂家，宅翁提供豹隶磁壹线交 流伺服电机有两大类型。一种是动子为无铁心结构，由于运动体线圈质量轻，所以可达 到极高的动态性能，理论上最大的加速度可达6 0 9 以上，并具有零齿捂效应和零i 力的 特点。在速度低于lpm s 以下时，仍然能平滑运动，邋用于轻载快速反应的场合。另 一种是动予具有铁心结构，可以获得高达8 0 0 0 n 的推力( 甚至还可以制造出更大摈力的 瞧极) ，具有特殊的反畿糖效应搭麓，理论上最大的期速度 亟可达到t 5 9 以上。出于永 磁体采用了模块化设计，所以定子长度可以根据用户的需要加长其长度，可达到 1 0 0 0 n m a 以上，最亳速黢可达3 0 0 魁f m i n 2 2 1 。爨本三势穗凝公司生产戆翥速工具黪床， z 轴上下移动采用永磁良线同步电机，逋度可达4 0 0 r n m i n ( 亍程为2 5 m m ) ，最高加速度 为2 3 9 ，加工效率提高2 3 倍。 永磁直线同步电机饲服驱动已经成为国内外伺服技术领域中研究和发展的主要热点 之一。本文就怒针对永磁直线同步电机驱动的商精度微邋给伺服黎统避行研究。 1 3 同步控制的国内夕卜职究状提 同步传动在现代生产机械中，已有广泛的应用。从j “义上讲，同步进给控制也可归 为藤步转动鳆藏踌。整在这墨，电子对褥黢遴绘爱慕攫蠢，襞戳存诲多不嚣子王黎枧缓 中同步传动的理沦问题需要解决，实现方法也有其特殊性。其中以在重型数控龙fj 镗铣 床中静同步遂绘应曩最为典型，两个立疆分累盘一位置环系统驱动，在这两个笾鬣环系 统之闻鞭求同步糖度高、响应快，控制滩度大，而输出端却具有强机械耦合，最媳代表 性。 幽子重型数控龙门键钱床尤其适蹋予电力设蠢、船髑柴油老几、轧钢枫架等五藤体加 丁，或多轴联动，铣削空间曲耐，是机械制造中较为理想的设备。龙门移动翟的霞型数 控龙f 1 缝铙素，与龙门瓣定型毒鞋毙，一般不受妻| 工件的蘧量鞭铡，在工传长度翱霹时， 则床身的总长疆短，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。 但热王精发略次子豳定鍪。为掇嵩鸯n 工精度，努j ；囊簿决貔大静龙门挺絮移动懿裁步送给 一6 一 沈阳j ：盐犬学硕士学位论文 控制问题。因此，高精度闹步进给技术仍然足世界各罔重型机床行q k 所面临的重大研究 瀑趣。 就豳外来讲，德国的数控重型机床在圈际上处于领先地位。生产数控重型龙门镟铣 冻魏主要确w a t d r i c h - c o b u r g 公司、w a l d r 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。美因 。 ；= = 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 公同的铣削宽度为7 m 的龙门移动式龙门铣，两 个屯柱分别由二台矗流电视驱动，同步误差0 0 2 5 - - 0 0 3 5 m m ，采麓| 1 霹环茬籀系统，位黉 检测用精密齿条和旋转变压器，精度虽咯低于感应同步器，但耐境能力强，维修方便。 德国的w a l d r i c h - c o b u r g 公司，采用双驱动元件，静压螺秆、立柱静压等轨，赢柱间 & 5 m ，螺较，距离9 翔，幽艇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o 0 3 - - 0 0 5 m m 。 总之，当蠢疆甄代表性产潞承乎为：出二台耀丽的旋转电莓h 滚珠丝枉分别传动， 机械解耦控制主露采用榆测应力的补偿方法，在控制上实现静：各解耦，达到的同步精度 为o ，0 3 - 4 ) 0 5 m m ，还不麓满是当前高精度翔工嚣蘩求，鏊际上镄奁深入磺究。8 0 霉代啦 柬，图外许多科学工作者对同步控制展丁r 深入研究，已 n z , n n 发、转角( 位置) 双重 丽步f ；f 匀多电机协调控制理论酌研究。k u l k a m i 藕s r i i f i v a s a n 等i 入了最後控割方案， t o m i z u k a 等把爨适应魏馈控制繁略用到同步控制中，以提高系统瞬态响应和抗扰动能 力 2 3 1 1 2 4 1 。目前在理论研究上，把多变最控制作为同步控制的基本方法，解耦后再对 单一隧貉采鼹各耪先遘敬掺毒方法，奶交叉凝台 偿控铡、最优按制、前馈控制、变增 益控制、滑模变结构控制等，都舣得了一些研究成果，但由于交流伺服电机非线性、特 性静不匹配注、转矩有赛往、负簸襄羹繇鏊线敬不确定毪及英粪线性等关键润题存在， 特别是在高进给速度下如何获得商精度和品质与稳定的鲁棒性，网前仍然是没有很好解 决的重要科学与技术问题。 在踊内，仅北京篱一机床厂与德国w a l d r i c h - c o b u r g 公司台作生产该类机床，但龙 门框架问步进给躯动装鬣由德方提供，对我国实行严密技术封锁。在理论研究上，尚未 楚到这方蠹的其馋或累。 一7 - 沈t _ ：1 1 3 ；h 1 垃火学顼士学位论文 1 , 4 本课题磷究蠡奄主要肉容 本课题是酣大型龙门移动式镗铣床中的同步传动控嗣技术为应用背景，并采用永磁 直线交流电机作驱动进给元件进行研究。论文主要工作包括： ( i ) 首先广泛查阅了国内外的相关文献资料，了解直线伺服控制研究的发展状况 及最裁技术成果。在此基础上，简要概括了直线电机应用发展状况，提出将直线电机应 雳= ： = 龙f 1 移动式镱铣床中，利爆其赢遮的动态口融应能力，为叟现快速动态网步奠定基 恐。 ( 2 ) 提滋将完全解耩控制方法应蹋子藏步传动中。两套搦缀系统输出遥过枫械方 式福合在起，按同速度给淹信号运动，并无电气参馥上酌直接藕合关系。由于侔角 在两台电机卜_ 的负载不可能严格相同，所以当两台电视上的负载处于动态变化过程时， 便引起_ 电机速度发生变化，从而引起位置i ；闹步。为了使伺脓系统回到同步状态，需 要把机械位置的不同步转化为电气控制变量的变化，通过对控制变量的调整，使其恢复 剑同步、捩念。 t 3 ) 首次提出垮模型参考自适应控制方寰应期于同步传动巾。自适应控制是种i 聂镶控剖系统，本文采瘸等状态工 乍方式，当琴绫受不平筏负载或拢魂影响，其参数或 性能发生了较大的变纯，透过检测海耩状态与参考模型之潮蠹勺谈差，经过罄适应攫簿产 生的反馈作用来修改两轴控制器的参数，产生辆葫控稍量，幢二者在速发上保持一致。 此种控制方案鲁棒性强，动态过程同步误藏小。 ( 4 ) 为验证所提方案的准确性与可行性，进行系统仿真实验，分析仿真结果并给 出结论。仿冀研究应用m a t l a b 仿真软件，对所提出的控制理论进行了仿真研究，验证 了所提出蛔理论的有效性。 一8 一 泼殴1 ：业大学联士学馒论文 2 永磁壹线阀步伺服电视概述 2 + l 永磁瘫线同步毫橇鑫勺结构彩式 7 0 年代，随着高陲能永磁材料的发展和价格的降低，永磁直线同步电机得到了迅 猛发展，并在许多小功率设备中得到了广泛应j j j 。其主要用途魁在备种设备巾作为伺服 驰动装置或精度较高的定位控制装嚣的执行机构。其结构形式如下所述 2 】【2 5 】 3 l 】： 永磁蔻线同步电机可以豢作是由永磁旋转同步电机演变而来的。现在设想把图 2 + l ( 如艇示的台两极永磁旋转同步电枧浍径囱切开，并烽电枧的暇周展成蛊线，如圈 2 f b ) 艨示，这裁褥到了由永磁疑转固步电凝澳变糍来的最滠鲶鲍平援型永磁惑线潮步 电帮t 。由定子演变雨来麓一铡# l 徼初级或霖边，由转了演交焉束髂铡l 黻次数袋副 边。 t a ) r 生= 坐上1 i 因因因冈阁冈l = = 匠二 e = 麓= = ( b ) 图2 ，1 旋转电虮到囊线电机演变过程的示意图 蓟沿径自切开) 摁圆躅展戏壹线 无论是永磁蠢线黼步电梳，还是盔线感应电极，它们静运动方式氍可以跫初级霭定 而次缀运动，也可以楚次缓固定箍初级运动。当稻级固定粥次缀运绩时，称为动次缀； 反之则称为动仞缀。 存实际应用中，囊线电机的初级和次缀长度是不相等的。闵为，直u 采初、次级象图 2 1 ( b ) 所示正好对齐，那么在运动过程巾，初、次级之间酌耦合部分将会越来越少，进 两影响芷常运行。因此，在实用上必须把初、次级做成长短不等，使长的那级具有足 够嬲k 度，以织女e 所霉霉亍程藏匿内初、次级蚓保持l i 变的耦台。在直线电机制造上，即 + 9 沈阳= i i ：业人学硕十学位论文 可做成短初级，又可做成短次级，见图2 - 2 。由于短初级的制造成本和运行费用均比短 次级 毳褥多，医 ：一般落采用缒初级，纛只赛在特豫馕况下君会采用短次缀。 圈2 2 所示的直线电机仅在次级边具有初级，这种结构形式称为单边型。它的 个显萋耪点就是在 ! j ：j 、次缓之阉存在着缀大静法囱拉力( 锑垂直力) 。如鬃在次级两边都 麸上初级，就会使两边的法向磁拉力相互抵消，即次线所受到的法向合力为零这种结构 形式称为双边型，如图2 3 所示。 广一j 一初级i 确婚鹤霜霜黼嗣霜j 取经 f = 二二二二= 二= = = 二二= = = = 二二j 口 ( a )初级 r 一7 【同网闷隔同同同固用同同网嗣同l 二二= 釜卜次缎 f ，) 图2 2 单边型直线电机( a ) 短初级( b ) 短次级 厂生_ 焉厂7 弋 l 周网厨商黼网同嗣蹋同羁褥褥鞫j 二二二二j 幂 一移t 黉受 严删矾掰珧惭删v 嘲 b ) 嘲2 3 双边型直线电机( a ) 短初级 艇次级 按照直线电机缩褐形式及箕形状翡不同，可以将直线亳辊戴分为革囊簦平援型、双边 平板型和管状结构。对于任何一种结构形式，均可将初级制成动子，次缴的永磁体作为 定子。其中平板型结构疆具代表性，且应用广泛。 本论文磺究中所采用的永磁赢线固步电机为蓥边乎檄型永磁赢线同步电机e 其结构 示意圈如图2 4 所示。该电机怒在定子( 即次级) 上，沿全行程方向的一条直线上， 块 接一块建安装瘩磁体。露毯子鞠镑级) f 方麴全长上，对应地一块接一块遂安装卜；警铁 芯的通电绕组( 永磁同步旋转电机则是动子，即转子上装永磁体，而定子中含有电枢绕 缝1 。为此，动予必须带电缆一怒运动。 一1 0 婆墼! ：些查兰受主鲎堡望奎一 阁2 , 4单边平板墅永磁踅线同步电税结鞫示意图 l 螽线碍轨2 定子( 床身) 3 动子( 工作台) 4 动子电襁绕组5 永磁体 2 2 永磁真线同步电机伺服系统组成 阉2 5 永磁壹线同步电梳伺服系统鬣成繇理框图 永磁直线同步电机伺服系统的组成如阉2 5 所示。系统同样由控制醑路与电机主回 路组成。包括速度控制器、电流控制器、乘法器、脉宽调制、功率逆变器、传感器、弱 磁控制、磁板角。解调计簿、永磁直线同步电机等几个部分 2 6 * 2 9 。 2 3j l ( 磁直线同步电机的工作原理 永磁直线嗣步电梳不仅在缡构上与承磁爨步熬转逛捉楣类 娃，嚣虽在王俘派理上逛 涟稠似的。如图2 6 所示为一台两棱永磁藏线同步奄橇工俸琢疆示意图。 ，饵巍剐琵鲢l 圪 圈2 6 两极永磁盔线溺步电撬工作蹶理示慈图 淀阳】：业大学硬学位谂文 动予潮级) 2 定予( 次缀) 3 行波磁场4 永磁谇 在这台永磁煮线瀚步电视韵予的三稆绕组中通入三相对称正弦电流后，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都效应时，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。当三相电流随时间变化 时，气隙磁场将按a 、b 、c 桐序沼直线运动。这个原理与旋转电机的相似，但二者的 差异是：直线电枞的气隙磁场足沿直线方向平穆的，而不是旋转的。因此，该磁场被穆 为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度vs 旋转磁场在定予魂撼表妪上熬线速度是 一样的，v 。称为同步速发。在永磁壹线圈步电橇中，永磁体的励磁磁场与芎亍渡磁场相 互作翔便会产生电磁掭力。在这个电磁稚力的作用下，如聚定予( 永磁体) 潮定不动，那 么动予( 即初缀) 就会作直线运动，并且其运动方向与行波磁场的传播方向相反。动了的 运动速度v = v s 。 永磁直线同步电机实现反向运动的原理与永磁旋转同步电机实现反转的原理相似， 即在永磁直线同步电机中，通过改变电机供电电流的相序或对换任意两相绕组的电源连 线，使行波磁场反向传播，从丽实现动子的反方向运动。根据这一原理，可伎永磁直线 嘲步电极作往复妻线运动。 2 4 永磁直线嗣步毫橇的矢蓬攘制 交流伺服电动机控制思想的核心为矢量控制思想。该思想麓由德国学者于1 9 7 2 年 提出的，并首先应用于感应电机中。在豳际上，矢羹控制一般多称为磁场定向控制 f f i e l do r i e n t a t i o n ) ，亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢羹的 大小、方向均采用瞬时值米表示 3 0 1 。 众腰周知，在l 也励直浚旋转电机中，励磁磁场稠电枢磁通势闯的空间角度出电刷祁 蛰l 械挨向器爨固定。邋常愤 咒下，焉卷是j 交躲。因此，唿枢电凌翱电鞋转矩闯存在线 性关系。遥遭调节电枢电流藏可以毒按控靠转矩。另箨，为镬电瓿在高速区够以恒功 率方式运行，还可以迸行弱磁控制。正是因为在狠宽的运行范萄内都能够提喾鼍可控转 矩，直流旋转电机才在电气传动中得到广泛i 商n 3 1 1 1 3 2 。 2 一 淀瞻l ：业大学殒士学位论文 与直流旋转电辊不同，在永磁壹线同步电视中，永磁棒励磁磁场与动子电枢磁通势 间的空问角度不是闻定的，它随负载而变化。这将引起磁场问复杂的作糟关系，因此就 不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁推力。 如果能够通过电动机外的控制系统，即通过外部条件对电枢磁通势相对励磁磁场进 行空间定向控制，就可以直接控制两者间的空闻角度。该控制方式又称为“角度控 制”。在角度控制中，一种媾聩的选撂是使电妪磁通势与檄磁磁场阆兴焦( 指空问f 乜角 震) 控制为9 0 度( 即l f 交) ，这萋孛烤况拳豫 乍“激场定自”控制。通过磁场定囱控割，经 毡枢磁通势与融磁磁场正交，从而在电穗控制中获得莛好的去鹚特性，使每安培电枢电 流产生的电磁维力最大，实现类钕于壹流旋转电动辊的控制方式，得蜀与直流电梳| 司祥 优良的调速性能。一台两极永磁直线同步电机的d 、q 坐标轴如图2 6 所示。 在磁场定向控制方式中如果控制d 轴电流不为零( i d o ) ，并控制i d 的方向，则可 以起到对永磁体增磁或去磁作用。利用去磁作用能够实现永磁直线同步电机的弱磁控 制。如果控制d 轴电流为零( i 。i _ 铂) ，则在d 轴方向上就只有永磁体产生的磁通。通常， 永磁囊线同步电机在恒推力区蚓运 亍，均采用这种控制方式 3 3 3 4 1 。 嚣注意的是，拳磁直线同步电极中的磁场是乎穆的行波磁场，褥 # 永磁旋转电机中 的旋转磁场。| 囊j _ 永磁壹线舞步毫撬采鼹永磁体俸为激磁滚，扶蠢减弱了动子电抠电流 与渤磁磁场之闻韵福合程寝，易于实璇矢量解稻控制。永磁赢线同步电犰采用高矫颓力 和高剩磁的永磁丰才料，可以使其电机的功率密度高于直线感应电机，从而获得受高的稚 力质量比和更高的电机效率。另外，永磁直线同步电机还具有低损耗、电气时涮常数 小、响应快速等优点。因此，在要求实现微精避给、高速与超高速进给的高性能伺服系 统l 1 ，多采用矢量控制的永磁直线同步电机。 为获愿矢量鲻耦控制效果，就必须保诞电桃d 哩轴坐标系中的d 轴e 戡慈分量i d ( 励磁 分量) 积q 轴电滚分量i 电磁摧力分量) 之嘲的空阍矢量夹鹞始终是9 0 。e 这就要求我嬲 按照一定撬露对主d 帮i q 避幸亍搭裁。为俊实际输入龟桃静三糍电浚；a 、i b 、乏2 够g 受夔给定 值e 和i ：变化，剐需滋行如下坐标交换，通常t 龟称为2 1 3 交换。 一1 3 一 鲨墨三些查堂鐾j ；兰塑鲨塞 s i n ( 一只) ) s i n ( - o ，一 ) s i n ( - o , + 稼一1 ， 式中p = ；s ，s 为动子直线位移，o 为极距。由上式得到= 三相电流指令值囊 豸窝i ；后，再遥过设髯屯流环，遂行电流控箭，遭佼窀税中的实际三穗电流严穰缝跟踪 电流指令，从而达到矢量解耦控制效果。 2 5 永磁鳆线同步电机的数学模型 永磁囊线同步电机的数学模型与永磁旋转同步电机的数学模型基本楣同。在推导 中，黝样 旌了如下稷设： 忽貉铁心魄和； 不记满流帮磁浠损耗； 动子上没有阻餍绕组，永磁体也没有阻怒作桶； 反电动势是正弦的。 在磁场定向矢量控制条件下，并且控制= 0 ，则永磁直线同步电机的数学模型可 擞述如下 1 樵城运动方程 f = m 妄协+ 哆( 2 - 2 、 2 k r i # 女，= 薯( 2 - 3 ) 式中，m 为电机动予质量； 曰为粘滞摩擦系数； f ，为负载阻力； f 为电磁推力； 一1 4 ， + 以影 辨 一 一 一 瓤 “ o o 0 c e c 污 f o ! 坠l ：些查堂壁堂壑鲨塞一一 一一r 努维力系数： f 。为极距； 。；为定予永磁体产生的勋磁磁链： v 为动孑线速度，且：v = 2 f 。，2 v ，： 其中，、为遂变器输滋静电源频率； v 。为电机同步速度( 行液磁汤莳前行速瑟0 。 2 d - q 轴电压电流方稃 “。：印。+ p 2 。十三i - v 五。 。：蛾+ p 2 。一三v 九l 式中，“。、。分荆为动予d 轴、q 轴电枢电压； 、f 。分别为动子“轴、q 轴电枢电流： r ，为动子电抠掇电阻； 岛、五。分嗣为动予矗辅、g 轴电裰电感： a “= l q i q ： d 2 l a i d 十五j ，m 。 一1 5 一 ( 2 4 ) 浚剐工业大学碟士学位论文 3 多变量解耩控制原理 3 1 多变量控裁系统的a 种描述 建立动态系统的数学模型，一般有两个途径。一个途径是：对易于囊接测量的线性 定常系统，可以在系统的输入端加适当的信号( 阶跃，脉冲，正弦或伪随机二进制信写 等) ，测艇系统输出端的响应，分析所得数据，并用有理函数矩阵g ( s ) 来表征。另个 途径是：根据系统的机理，推导出描述系统的组代数方程，微分方程，偏微分方程， 或是它们的混会方程鳃。例如，对线性集总参数定棠系统，一般为代数方程与微分方程 熬混合，1 可栽具有如下影式：q x = a 霹) + b ) 。其中x 为系绞中各变量构成的向量，u 为控镪向蓬，a ，b ，q 为适当维数酌矩阵。注意l 式中静q 可以是降秩铤阵，困弼邑 式一般不其有状态方程形式，而且如何把它们变成袄惫方程形式也珏丁能不硝确。仅在最 简单的特殊情况下( q 为满秩矩阵) ，系统才可能赢接用阶状态方程组描述，更般 的情况则为高阶微分方程和代数方程的混合。 所以，攒述一个动态系统的数学模型可以霄以下几种 3 5 1 1 3 6 3 7 ：传递函数矩阵描 述、状惑空闻描述、系统矩阵撼述和矩阵分式描述。本文主要采用传递函数矩阵描逑。 在一个过程中，褥要控制浆交量以及操 乍变量豢不止对，露舅这些变量之闽卷以 这释藏那释形式互相关联着。在遂耱精况下对禁一个参数的控剁不霹避免遮要卷虑另一 些有关联的参数或者潦作变量韵影确。出于影稚是互稻关联酌，因i 毙这些荦个参数黪控 制系统之间就必定有通道互相交铬，这样来所处理的问题就不再楚单变量的问题了。 正是由于在一个控制系统