双轴进给伺服交叉耦合控制的研究优秀毕业论文.pdf

分类号 u d c 密级 学校代号 1 1 8 4 5 学号 2 1 1 0 8 0 4 3 0 3 广东工业大学硕士学位论文 工学硕士 双轴进给伺服交叉耦合控制的研究 许强强 指导教师姓名 职称 曾岳直数援 学科 专业 或领域名称 控剑堡i 金生控剑王程 学生所属学院 自动他堂院 论文答辩日期 三q 二 生五旦 c a n d i d a t e x uq i a n g q i a n g s u p e r v i s o r p r o f z e n gy u e n a n m a y 2 0 1 1 f a c u l t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u g u a n g d o n g p r c h i n a 5 1 0 0 0 6 摘要 摘要 在双轴运动控制系统中 由于各运动轴之间存在着响应延时不一致 参数不匹 配以及负载扰动等问题 使得各轴之间的相互影响是动态的 因而每个运动轴的跟 踪误差不协调必然会反映到轮廓上形成轮廓误差 交叉耦合控制策略能较好的解决 各轴间的动态影响造成的轮廓误差精度问题 但是对于非线性的轨迹曲线等高速高 精加工控制 交叉耦合控制性能受到了限制 暴露出了一定的局限性 而在两轴间 加入变增益交叉耦合控制器 根据各轴的反馈信息和插补值 实时修正轮廓误差模 型的增益 来寻求最佳补偿律 将补偿修正信息反馈给各轴 从而可达到补偿轮廓 误差的目的 本文将变增益交叉耦合控制应用于双轴进给伺服运动控制系统中 利用其在任 何路径下都可以改善轮廓误差的优点来提高双轴进给伺服系统间由于各轴动态特 性不匹配及负载扰动情况下的轮廓控制精度 主要做了以下五个方面的工作 1 详细介绍了双轴进给直线伺服系统数学模型 分析了永磁直线同步电动机 的基本结构和基本原理 推导出了其数学模型 为后续控制器算法提供基础 2 详细分析了双轴进给直线伺服系统轮廓误差分析及控制策略 两轴控制系 统在运行过程中存在两种误差 跟踪误差和轮廓误差 本文通过分析不同轨迹下的 两种误差得出了轮廓误差的一般控制算法 从而得出了两轴协调运动的控制策略 3 对双轴进给直线伺服系统控制器进行设计 本文设计了两种控制器 变增 益交叉耦合控制器以及带有p d f f 的变增益交叉耦合控制器 主要介绍了各个控制 器的控制理论的数学基础 基本思想 设计方法 数学模型等 4 基于双轴进给伺服系统的得理论研究 本文在m a t l a b s i m u l i n k 平台上搭建 了其交叉耦合控制系统仿真模型 分别对直线伺服系统的两种控制方式进行了计算 机仿真 并对结果进行了对比分析 通过上述仿真实验 验证了控制算法的可行性 可知系统有较好的动静态特性 有较好的快速性与鲁棒性 5 本文最后对整个系统的设计进行了总结 并对本系统存在的问题和后续的 研究工作提出了自己的看法 关键词 交叉耦合 轮廓误差 双轴 仿真 广东工业大学工学硕士论文 a b s tr a c t 1 1 1d u a l a x i a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e m s b e c a u s ee v e r ya x i a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e m e x i s t r e s p o n s ed e l a y i n c o n s i s t e n c i e s p a r a m e t e rm i s m a t c ha n dl o a dd i s t u r b a n c e s m a k e sp r o b l e m s s u c ha st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea x i si sd y n a m i c t h u se a c hm o v i n ga x i st r a c k i n ge r r o ro f u n c o o r d i n a t e dw i l lr e f l e c to nt oo u t l i n e i so u t l i n ee r r o r c r o s sc o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g yc a n s o l v et h ea x i so fd y n a m i ce f f e c tb e t t e r b e t w e e nt h eo u t l i n eo fp r o b l e m sc a u s e db ye r r o r p r e c i s i o n b u tf o rn o n l i n e a rt r a j e c t o r yc u r v e a n do t h e rh i g h s p e e dh i g hp r e c i s i o nm a c h i n i n g c o n t r o l c r o s sc o u p l i n gc o n t r o lp e r f o r m a n c ei sl i m i t e d a n de x p o s e ds o m el i m i t a t i o n s b u t b e t w e e nt w oa x i sj o i n e di nv a r i a b l eg a i nc r o s sc o u p l i n gc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt oe a c ha x i s f e e d b a c ki n f o r m a t i o na n di n t e r p o l a t i o nv a l u e t h ec o n t o u re r r o rm o d e lr e v i s e t os e e kt h e b e s tg a i nl a wo fc o m p e n s a t i o n a n dw i l lc o m p e n s a t ef o rt h ea x i sm o d i f i e di n f o r m a t i o n f e e d b a c k s oa st oa c h i e v et h ep u r p o s eo fc o n t o u re r r o rc o m p e n s a t i o n a n dm a d es o m e c o n t r o le f f e c t t h i sp a p e rw i l la p p l i e dv a r i a b l eg a i nc r o s sc o u p l i n gc o n t r o li nd u a l a x i a ls e r v om o t i o n c o n t r o ls y s t e m u s i n gi t sa d v a n t a g e si na n yp a t hc a ni m p r o v et h ec o n t o u re r r o rt oi m p r o v e d u a l a x i a ls e r v os y s t e mc o n t r o lp r e c i s i o n c a u s e db ye a c ha x i sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sd o e s n o tm a t c ha n dl o a dd i s t u r b a n c e s i nt h i sp a p e r w em a i n l yd ot h ew o r kf o rf i v ea s p e c t s 1 i n t r o d u c e st ol i n e a rs e r v os y s t e mf o rd u a l a x i sm a t h e m a t i c a lm o d e l i ti n t r o d u c e d b a s i cs t r u c t u r ea n db a s i cp r i n c i p l eo ft h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s e c o n d d e d u c e st h em a t h e m a t i c sm o d e l t h ed i s c u s s i o na b o v ea l lf o rt h es u b s e q u e n tc o n t r o l l e r a l g o r i t h mp r o v i d e sab a s i sf o rr e s e a r c h 2 d e t a i l e da n a l y s i st ol i n e a rs e i v os y s t e mf o rd u a l a x i si n t oc o n t o u re r r o ra n a l y s i s a n dc o n t r o ls t r a t e g y t w oa x i sc o n t r o ls y s t e mh a st r a c k i n ge r r o ra n dc o n t o u re r r o r t h i s p a p e ra n a l y z e st h et w od i f f e r e n tt r a j e c t o r i e s a n dg e tt h ee r r o ro fg e n e r a lc o n t r o la l g o r i t h m c o n c l u d e dt h et w oa x i sm o t i o nc o o r d i n a t i o no ft w ok i n d so fc o n t r o ls t r a t e g y 3 d e t a i l e da n a l y s i st o l i n e a rs e r v os y s t e mf o rd u a l a x i si n t oc o n t r o ls y s t e m d e s i g n a t i o n t h i sa r t i c l ed e s i g nt w oc o n t r o l l e r i ti sr e s p e c t i v e l yv a r i a b l eg a i nc r o s s c o u p l i n gc o n t r o l l e r a n dt h ev a r i a b l eg a i nw i t hp d f fc r o s sc o u p l i n gc o n t r o l l e r m a i n l y i n t r o d u c e st h et h e o r yo fe a c hc o n t r o l l e rm a t h e m a t i c a lf o u n d a t i o n b a s i ci d e a d e s i g n m e t h o d m a t h e m a t i c a lm o d e la n ds oo i l 4 i nm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r mb u i l td u a l a x i a lv a r i a b l ec r o s sc o u p l i n gc o n t r o l s y s t e mr e s p e c t i v e l y s u p p l i e das i m u l a t i o nm o d e lo fl i n e a rs e r v os y s t e md u a l a x i sp l a t f o r m t w ok i n d so fc o n t r o l w a y s h a sac o m p u t e rs i m u l a t i o n f i n a l l yt h er e s u l t sa r e a n i l l 广东工业大学工学硕士论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目录 i v c o n t e n t s v i 第一章绪论 l 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 2 双轴进给伺服系统的国内外发展现状 3 1 3 双轴进给伺服驱动系统的控制模式 8 1 4 本文研究的主要内容 13 第二章双轴进给伺服交叉耦合控制系统的数学模型 1 4 2 1 概述 1 4 2 2 直线永磁同步电动机的基本结构 1 5 2 3 直线永磁同步电机的基本工作原理 1 6 2 4 直线永磁同步电动机数学模型 l7 2 5 影响直线同步伺服系统性能的扰动因素 2 0 2 6 本章小结 2 2 第三章双轴进给伺服交叉耦合控制及补偿方法 2 3 3 1 轮廓误差的建模 2 3 3 2 轮廓误差的控制方法 2 6 3 2 1 传统的轮廓误差控制方法 2 7 3 2 2 交叉耦合控制方法 2 8 3 2 3 交叉耦合控制思想 2 9 3 3 影响轮廓控制精度的因素 3 0 3 4 误差补偿控制算法 3l 3 5 本文提出的交叉耦合控制策略 3 3 3 6 本章小结 3 3 i v 目录 第四章变增益交叉耦合控制系统建模与仿真 3 4 4 1 变增益交叉耦合控制系统结构和基本思想 3 4 4 2 单轴进给伺服系统的误差模型 3 5 4 2 1 进给伺服系统控制原理 3 5 4 2 2 单轴跟踪误差的建模 3 6 4 2 3 伺服系统对轮廓误差的影响分析 3 9 4 3 变增益交叉耦合控制仿真与分析 4 2 4 3 1 变增益交叉耦合控制系统建模 4 2 4 3 2 变增益交叉耦合控制系统仿真 4 4 4 4 本章小结 4 7 第五章基于p d f f 的变增益交叉耦合控制系统的建模与仿真 4 8 5 1 控制算法 4 8 5 1 1p i d 控制算法 4 8 5 1 2p d f 控制算法 4 9 5 1 3p d f f 控制算法 5 0 5 2 控制器设计 5 2 5 2 1p i d 控制器设计 5 2 5 2 2p d f f 控制器设计 5 3 5 2 3 控制器性能比较 5 4 5 3 基于p d f f 的交叉耦合控制系统建模仿真 5 5 5 4 本章小结 6 0 总结与展望 6 1 参考文献 6 3 攻读硕士学位期间发表论文 6 7 独创性声明 6 8 学位论文版权使用授权声明 6 8 蜀 谢 6 9 v 广东工业大学工学硕士论文 c o n t e n t s a b s t r a c t c h i n e s e i a b s t r a c t e n g l i s h i i i c o n t e n t s c h i n e s e v c o n t e n t s e n g l i s h v i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft h i ss u b j e c t l 1 2t h ed e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o no fd u a l a x i a lf e e ds e r v os y s t e m 一3 1 3 kc o n t r o lm o d eo fl i n e a rs e r v od r i v es y s t e m 8 1 4m a i nw o r ko ft h ep a p e r 13 c h a p t e r 2m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed u a l a x i a ls e r v oc o n t r o ls y s t e m 1 4 2 1o v e r v i e w 1 4 2 2b a s i cs t r u c t u r eo fp m l s m 15 2 3b a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fp m l s m 1 6 2 4m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m l s m 17 2 5t h ed i s t u r b a n c ef a c t o r so fl i n e a rs y s t e m 2 0 2 6s u m m e d z a t i o n 2 2 c h a p t e r 3d u a l a x i a ls e r v oc r o s sc o u p l i n gc o n t r o la n dc o m p e n s a t i o nm e t h o d 2 3 3 1t h em o d e l i n go fc o n t o u re r r o r 2 3 2c r o s sc o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g y 2 6 3 2 1c l a s s i c a lc o n t r o ls t r a t e g y 2 7 3 2 2c o n t r o lm e t h o d 2 8 3 2 3c r o s sc o u p l i n gc o n t r o lt h o u g h t 2 9 3 3t h ef a c t o r so fc o n t o u rc o n t r o li n f l u e n c ep r e c i s i o n 3 0 3 4e r r o rc o m p e n s a t i o nc o n t r o la l g o r i t h m 31 3 5t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ec r o s s c o u p l i n go fc o n t r o ls t r a t e g y 3 3 3 6s u m m e d z a t i o n 3 v i c o n t e n t s 7 一一 i hm 一目 目目 c h a p t e r 4v a r i a b l eg a i nc r o s s c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n 3 4 4 1v a r i a b l eg a i nc r o s s c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea n db a s i ci d e a s 3 4 4 2u n i a x i a ls e r v os y s t e me r r o rm o d e l 3 5 4 2 1s e r v os y s t e m sc o n t r o lp r i n c i p l e 3 5 4 2 2u n i a x i a lc o n t o u re r r o rm o d e l i n g 3 6 4 2 3c o n t o u re l f o ra n a l y s i ss e r v os y s t e mm o d e l i n g 3 9 4 3v a r i a b l eg a i nc r o s s c o u p l i n gc o n t r o ls i m u l a t i o n 4 2 4 3 1t h em o d e l i n go f v a r i a b l eg a i nc r o s s c o u p l i n gc o n t r o l 4 2 4 3 2t h es i m u l a t i o no f v a r i a b l eg a i nc r o s s c o u p l i n gc o n t r o l 4 4 4 4s u m m e r i z a t i o n 4 7 c h a p t e r 5b a s e do np d f f t h ec r o s s c o u p l i n go fc o n t r o ls y s t e m 4 8 5 1p i d p d fa n dp d f fc o n t r o la l g o r i t h m 4 8 5 1 1p i dc o n t r o la l g o r i t h m 4 8 5 1 2p d fc o n t r o la l g o r i t h m 4 9 5 1 3p d f f c o n t r o la l g o r i t h m 5 0 5 2c o n t r o l l e rd e s i g n 5 2 5 2 1p i dc o n t r o l l e rd e s i g n 5 2 5 2 2p d f f c o n t r o l l e rd e s i g n 5 3 5 2 3c o n t r o l l e rp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 5 4 5 3b a s e do np d f ft h ec r o s s c o u p l i n go fc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n 5 5 5 4s u m m e r i z a t i o n 6 0 s u m m e r i z a t i o na n dp r o s p e c t 6 1 i i j e f e r e n e e 6 3 t h ea r t i c l e sp u b l i s h e dd u r i n gt h e d e g r e e 6 7 p r o m e t h e a nd e c l a r a t i o n 6 8 d e g r e et h e s i sc o p y r i g h tu s ea u t h o r i z e ds t a t e m e n t 6 8 a c k n o w l e d g e 6 9 v l l 第一章绪论 第一章绪论 直线电机交叉耦合控制策略作为高精度同步进给技术和直线电机伺服控制的 完美结合 已成为高精度数控加工发展中的热点和亮点 交叉耦合控制策略的诞生 加速了高精度数控加工与其他生产过程自动化运动控制 如各种数控机床进给轴运 动 机器人各关节运动 纺织 冶金 造纸 包装以及军事 航空工业设备等 成 为了高速和高精度自动化加工的有力武器 本章首先介绍两轴伺服交叉耦合控制系 统的研究背景与意义 并扼要阐述其国内外研究现状 最后介绍本文的主要研究内 容 1 1 课题研究的背景与意义 双轴进给伺服系统广泛应用于数控技术中 而数控技术是国防现代化的重要战 略物质 是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业 随着 微电子和计算机技术的进步 数控机床成为现代先进制造技术最重要的基础装备和 世界机床市场的主流产品 另外数控机床是一个国家制造工业水平高低的一个标 志 是国家经济发展的基础 是我国未来重点发展的对象 国家中长期科学和技 术发展规划纲要 2 0 0 6 2 0 2 0 年 确定了1 6 个重大专项 其中包括 高档数控机 床与基础制造装备 研制高速高效化的精密机床具有重要意义 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精度正从亚微 米向毫微米提高 粗糙度己达纳米级 数控机床正在向精密 高速 复合 智能 环保的方向发展 这就迫切需要高效率 高精度加工切削车床的出现 但目前我国 数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础还很薄弱 信息化技术应用程度不 高 现在的技术来源主要依靠引进国外技术 而且外方在许多高新产品的核心技术 上具有掌控地位 具有高精 高速 高效 复合功能 多轴联动等特点的高性能应 用数控机床基本上还得依赖进口 与国外产品相比 我国的差距主要在数控机床的 高速高效化和精密化上 因此 在数控技术上 精密和高速加工对传动及其控制提 出了更高的要求 更高的动态特性和控制精度 更高的进给速度和加速度 更低的 振动噪声和更小的磨损度和加速度 更低的振动噪声和更小的磨损 问题的症结在 广东工业大学工学硕士论文 传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮 蜗轮 皮带 丝杠 联轴器 离合器等中间传动环节 在这些环节中产生了较大的转动惯量 弹性变形 反向间隙 运动滞后 摩擦 振动 噪声及磨损 虽然在这些方面通过不断的改进 第一章绪论 器切削力 的影响 这些不确定非线性直接作用在负载上 影响负载的运动陋 直线 电机初级铁芯两端开断 产生了所谓的边端效应 从而引起波形畸变等问题 而课 题中设计的进给伺服交叉耦合控制系统 在这种双轴的控制中还存在着耦合问题 加工制造业产品的精度是由机床系统的动态性能决定的 而数控机床不管是在 设计 还是在装配过程以及控制策略 7 上都会存在一定的误差 偏差 并且机床 的结构误差 热变形 切削力均反映为机械误差 为了减小机械误差 一方面 人 们对这些误差源进行测量和建模 在加工中进行实时补偿 另一方面 伺服系统的 跟踪误差也会对工件形状产生影响 特别是在高速切削加工中 这种影响更加突出 根据伺服系统的性能 大量的研究已经证明单轴的跟踪误差和多轴的空间轮廓误差 是机床动态性能的两个重要参数似 而进给伺服系统本身是产生这两误差的根本原 因所在 跟踪误差与多轴之间的参数不匹配以及运动的不协调导致了轮廓误差的产 生 最终表现在产品上就是产品的精度得不到有效的控制 空间轮廓误差出现在线 型运动 圆弧运动 切削拐角以及切削任何设定的轮廓中 通常情况下 降低线形 轮廓误差的方法是采用高的平均增益以及使各轴的增益相匹配 也就是说单轴的开 环增益不匹配是产生线形轮廓误差的根源 在加工圆轮廓时 如果各轴参数匹配会 在半径方向存在极小的误差 而不匹配时则会使加工轮廓呈椭圆形 在加工拐角时 如果增益太小 轴的动态性能就会过阻尼 导致跟踪误差增大 而系统响应缓慢 但如果增益过大 系统就会欠阻尼 跟踪误差就会导致系统过切 低的进给速率会 减小这三种轮廓误差 为了在高速下获得高的轮廓精度 系统必须处于临界阻尼 并且系统的增益匹配 在传统的多轴轮廓控制系统中 各轴的运动是基于局部信息 独立的 而没有考虑其他轴的运动耦合关联的情况 即简单的使用单轴控制补偿位 置误差 如何解决多轴情况下 高速加工和高精度加工之间的矛盾成为了焦点问 题 因为高速加工中 单轴的跟踪误差随之增大 传统的单轴控制策略的控制效果 并不能达到高精度的要求 在这种情况下 使用交叉耦合控制器结合传统控制方式 就可以有效降低轮廓误差 进一步提高加工精度 1 2 双轴进给伺服系统的国内外发展现状 在过去的5 8 年里 随着电子技术突飞猛进的发展 高速度多功能的或专用的 微处理器及信号处理器的大量涌现 如d s p 使得以电子管为基础的硬件数控机床 技术发展到目前以微处理器为基础的软件数控系统 从电液脉冲马达 功率步进电 广东工业大学工学硕士论文 动机发展到高性能交 直流伺服电动机驱动系统 特别是高性能交流电动机伺服系 统代表了当前伺服驱动系统的发展方向 近年来 x y 平台直线伺服系统的研究主要归结为 数控机床直线伺服系统的 发展现状 直线伺服电机的发展现状 多轴协调运动控制策略的现状 现阐述如下 美 德 日三国是当今世上在数控机床科研 设计 制造和使用上 技术最先 进 经验最多的国家 美国于1 9 5 2 年研制出世界第一台数控机床 1 9 5 8 年创制出 加工中心 7 0 年代初研制成f m s 1 9 8 7 年首创开放式数控系统等 由于美国首先 结合汽车 轴承生产需求 充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线 而且电 子 计算机技术在世界上领先 因此其数控机床的主机设计 制造及数控系统基础 扎实 且一贯重视科研和创新 其高性能数控机床技术在世界也一直领先 随着超高速切削机理 超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具 大功率高速电主 轴 高a n 减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统 含监控系统 和防 护装置等一系列技术领域中关键技术的解决 欧 美 日各国争相开发应用新一代 高速数控机床 加快机床高速化发展步伐 高速主轴单元 电主轴 转速1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 r m i n 高速且高加 减速度的进给运动部件 快移速度6 0 1 2 0 m m i n 切削 进给速度高达6 0 m m i n 高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的 突破 达到了新的技术水平 根据高效率 大批量生产需求和电子驱动技术的飞速 发展 高速直线电机的推广应用 开发出一批高速 高效的高速响应的数控机床以 满足汽车 农机等行业的需求 还由于新产品更新换代周期加快 模具 航空 军 事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多 精密化是为了适应高新技术发展的需要 也是为了提高普通机电产品的性能 质量和可靠性 减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要 从精密加工发展 到超精密加工 特高精度加工 是世界各工业强国致力发展的方向 其精度从微 米级到亚微米级 乃至纳米级 l o n m 其应用范围日趋广泛 超精密加工主要 包括超精密切削 车 铣 超精密磨削 超精密研磨抛光以及超精密特种加工 三 束加工及微细电火花加工 微细电解加工和各种复合加工等 随着现代科学技术 的发展 对超精密加工技术不断提出了新的要求 新材料及新零件的出现 更高精 度要求的提出等都需要超精密加工工艺 发展新型超精密加工机床 完善现代超精 密加工技术 以适应现代科技的发展 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质 量要求的提高 机床用户对机床加工精度的要求也越来越高 为了满足用户的需要 4 第一章绪论 近1 0 多年来 普通级数控机床的加工精度已由 l o l l m 提高至u 士5 p m 精密级加工中 心的加工精度则从士3 5 p m 提高到士1 1 5 岬 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代 通过 六五 期间引进数控技 术 七五 期间组织消化吸收 科技攻关 我国数控技术和数控产业取得了相当大 的成绩 特别是最近几年 我国数控产业发展迅速 1 9 9 8 2 0 0 4 年国产数控机床 产量和消费量的年平均增长率分别为3 9 3 和3 4 9 尽管如此 进口机床的发展 势头依然强劲 从2 0 0 2 年开始 中国连续三年成为世界机床消费第一大国 机床 进口第一大国 2 0 0 4 年中国机床主机消费高达9 4 6 亿美元 国内数控机床制造企 业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显 7 0 以上的此 类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口 由此可以看出国产数控机床特别是中高 档数控机床仍然缺乏市场竞争力 究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度 不够 制造水平依然落后 服务意识与能力欠缺 数控系统生产应用推广不力及数 控人才缺乏等 我们经常看到 许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电动机通过中间转换装 置 例如链条 钢丝绳 传动带 齿条或丝杠等机构 转换为直线运动的 由于这 些装置或系统有中间转换传动机构 所以整体存在着体积大 效率低 精度低等问 题 直线电机主要是直线电动机 它是一种将电能直接转换成直线运动机械能 而 不需要任何中间转换机构的传动装置 在近5 0 年来发展得很快 比较常用的有直 线感应电动机和直线永磁同步机 其中永磁交流伺服电动机具有高转矩 重量比 低转动惯量 易散热 效率高 可靠性高 易于维护保养 并且具有较小的重量和 体积等优点 随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低 其在工业生产自动化 领域中的应用将越来越广泛 己成为交流伺服系统的主流i s 如图1 1 所示 图1 12 0 世纪下半页电工新技术的发展概况 f i g 1 1c e n t u r yh a l fp a g ee l e c t r i c i a nn e wt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n 5 广东工业大学工学硕士论文 半个世纪以来 数控机床的进给驱动技术虽然经历变化 但长期以来 基本的 传动形式仍然是 旋转电动机 滚珠丝杠 近年来 随着技术的进步与加工质量和 效率要求的提高 直线电机在机床领域的应用迎来了它的高潮 从1 9 9 6 年的美国 芝加哥机床展览会i m t s 9 6 日本第18 届国际机床展览会 到1 9 9 9 年巴黎国际 e m o 博览会等一系列国际有影响的展览会上 美国的i n g e r e l l m i l l i n g 公司 德国的 西门子 i f n i 日本三精公司 美国的k o l l m o r g e n 公司等国际知名企业向人们展 示了直线电机应用于各类机床的强大的魅力 相对国外 国内的直线电机研究起步较晚 但发展较快 从1 9 8 2 年开始 全 国直线电机学术会议定期召开 会上既有论文的交流 也有新成果的展现 还不断 有新的年轻会员参加州 八十年代后期至今有较大发展 现在已出现了一支直线电 机的开发 研究队伍 一些大专院校 科研单位和工厂积极开展了各类直线电机的 基本理论和开发应用的研究 我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果 例如 在2 0 0 3 年的第八界中国国际机床展览会 c i m t 2 0 0 3 上北京电机院高技术股份公 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 在理论研究上 也有很大的发展 发表了不少的文章 出版了一些书 籍 我国台湾省上银科技公司也将直线电机用于三坐标测量机上 实现三轴直接驱 动t s 台湾省的机床出口量也始终处于世界前五名 这预示着直线电机开辟的新时 代已经到来n 在高性能的数控机床的研究中 对高精度方面的研究必不可少 而对于高精度 数控机床研发 传统的通过增加机床刚度和装配精度的方法已经很难满足各行业对 产品精度的要求 传统的数控机床通常是采用反馈系统检测单运动轴的速度和位置 角度信号 并对其实际速度和位置 角度进行检测控制 传统控制方法是基于反馈 控制理论 为了提高加工的精度 通常会在伺服系统中使用前馈控制器等作为辅助 控制 多轴运动控制器性能的优劣直接由其实现的控制策略来决定 因此 多轴协 调运动控制策略的研究和实现具有十分现实的意义 根据控制方法的不同 多轴运 动控制系统的协调控制可分为非耦合的协调控制和耦合的协调控制 非耦合的协调 控制均为针对每一轴的控制方式 也就是针对该轴所对应的电机 通过设计大增益 控制器 前馈控制器等提高单运动轴的控制性能 通过单轴性能的提高来减小系统 的轮廓误差 许多专家学者致力于这方面控制技术的研究 p o o 等h 川人研究了两轴 系统下的动态响应 指出在加工直线轮廓时 当两轴的增益完美匹配的时候 轮廓 6 第一章绪论 误差为零 虽然单轴的误差对于时间来说不为零 然而当存在轴之间特性不匹配时 就会存在轮廓误差 在加工圆轮廓误时 如果完美匹配时 会在半径方向上存在很 小的误差 但如果不匹配时 则会使加工轮廓呈椭圆形 在传统方法中 通常会通 过提高系统的开环增益来提高系统的跟踪精度 但这种方法存在一定的局限性 就 是无法无限制的提高系统的增益 同时 还可以在伺服机构中加入前馈环节 构成 前馈控制器 其中传统的前馈控制器通常会包括速度前馈控制器和加速度前馈控制 器 在此基础上 进行改进之后 t o m i z u k a f 引提出了零相位误差追踪控制器 z e r o p h a s ee r r o rt r a c k i n gc o m r o l l e r 并且在z p e t c 的基础之上提出了各种变化或附加 算法的零相位误差追踪控制器 同时 还有很多学者针对零相位误差追踪控制器的 特点 在此基础上结合各种先进的控制律 提出了各种改进的前馈控制器 t o f f s 等 6 引进了一种改良的前馈控制算法称之为扩展带宽零相位误差追踪控制 e b z p e t c 这种算法将前馈控制信号分为两步计算 首先生成基于z p e t c 算法的 控制信号 然后通过加上附加的前馈信号来补偿残留误差 但是 非耦合控制无法解决各轴间具有的不可见性 即当其他轴负载或速度发 生变化时 该轴不能实时得到变化轴的动态信息并做出相应调整 从而不能从根本 上有效的解决各轴间的同步或协调问题 因此 在高速高精度的复杂协调控制中 非耦合控制有着一定的局限性 耦合的协调控制是针对多轴系统的整体控制策略 其基本思想是基于每个轴的跟踪误差来直接反映轮廓误差 通过交叉耦合控制器进 行运算得到每个轴的位置补偿值 然后将每个轴的位置补偿结果加至每个轴的位置 给定中 从而确保每个轴都能够对其他轴的动态特性变化做出调整 最终消除各轴 间的动态影响 提高协调控制性能 自1 9 8 0 年k o r e n t j 等提出交叉耦合控制以来 许多专家学者致力于多轴协调控制理论的研究 k u l k a r n i 和s r i n i v a s a n t l 3 在研究交叉 耦合控制策略的基础上 采用最优控制的方案来迸一步改善多轴协调控制性能 t o m i z u k a t 川等有应用了前馈自适应控制策略 改善了双轴运动控制系统在外加干扰 下的系统性能 k o r e n 和l o t 于1 9 9 1 年进一步改进了交叉耦合轮廓控制器 提出一 种变增益交叉耦合控制器 此外 在路径预补偿控制算法基础上 j e h i el e e 等 们 于1 9 9 7 年提出了一种预补偿交叉耦合控制方法 近年来 随着智能控制策略研究的 兴起 又有许多科学工作者把鲁棒控制 变结构控制l l 模型参考自适应控制 神 经网络与遗传算法等现代控制理论的控制方法和模糊神经f i n n 控制系统 基于遗 传算法的模糊控制系统 模糊专家系统等复合智能控制应用到多轴协调控制中 并 7 广东工业大学工学硕士论文 取得了较好的效果 在现代制造技术中 高速高精的加工技术正在成为新的研究方 向 如何改进多轴间的协调控制来消除或改善系统的轮廓误差 提高整体控制性能 并与快速发展的数控技术相结合仍需不断研究 1 3 双轴进给伺服驱动系统的控制模式 高速和超高速加工要求数控机床的伺服驱动装置具有极高的加 减速度性能 而且对伺服精度同样提出了相当高的要求 高速和高精度是矛盾的 往往难以同时 得到满足 但在直线伺服驱动系统中必须同时得到满足 这就要求控制系统必须采 取有效的控制策略抑制各种扰动 1 经典控制策略 经典控制策略中的代表非p i d 控制莫属了 p i d 控制作为一种简单而实用的控 制方法 在直线电机伺服控制系统中获得了广泛的应用 艾武利用d s p 实现了对 直线电机的p i d 控制心i p r i t s c h o w 在直线电机进给系统中采用了p 型位置控制器 和p i 型速度控制器幢 k o r e n 在提出交叉耦合控制器 2 3 1 时 最初选择的就是经典的 p i d 控制策略 这种控制策略的优点就是控制算法简单 不需要对控制器参数进行 实时调节 因而计算量小 实时性良好 可以在硬件不变的情况下有效提高系统的 加工精度 降低轮廓误差 其具体控制图如图1 2 所示 图1 2 经典p i d 控制的交叉耦合控制器简图 f i g 1 2c l a s s i cp i dc o n t r o lc r o s sc o u p l i n gc o n t r o l l e rd i a g r a m 经典p i d 控制的交叉耦合控制器的优点在前面已经阐述 但是 p i d 控制对被 控对象模型参数的变化较为敏感 鲁棒性不够满意 此外 p i d 控制的整定比较费 时 由于参数问的相互影响 往往难以收到最优的效果 目前 p i d 控制更多的是 3 第一章绪论 与其他控制策略相结合 形成带有智能的新型复合控制心 笳 如付子义将p i d 控制 与模糊控制相结合 实现了对p i d 参数的自校正 使直线电机伺服系统的鲁棒性 得到增强 获得较好的控制效果恤 2 智能控制策略 智能控制突破了经典控制理论中必须基于数学模型的框架 它所研究的主要目 标不再是单一的数学解析模型 而是数学解析和知识系统相结合的广义模型 其次 智能控制继承了人脑思维的非线性 具有非线性特性 所以智能控制方法更适用控 制对象 环境和任务复杂的系统 目前 智能控制在直线电机伺服系统应用中较为 成熟的是模糊控制和神经网络控制心 1 模糊控制是根据工程技术人员的实际工作经验 运用模糊逻辑推理 并且 借助于计算机来实现的一种控制方法 模糊控制器具有不依赖于被控对象的数学模 型 适用范围比较广 对非线性及时变负载具有一定的鲁棒性等优点 此外 模糊 控制器专用芯片已商品化 实时性好 因此 在直线伺服控制领域 模糊控制取得 了一定的效果m 如叶云岳针对直线电机这种复杂的非线性系统的或变负载的应用 场合 将模糊控制与p i d 控制进行了比较 显示了在此类系统的控制方案中采用 模糊控制的优势恤 刘金凌等人结合了传统p i d 控制和模糊逻辑推理各自的优势 在直线伺服系统的控制中 提出了基于模糊推理的自校正p i d 控制器 结果证明 能很好地适应系统及环境的变化 从而满足工业过程中对伺服电机的要求m 郭庆 鼎等人在设计模糊控制器时 利用遗传 算法进行离线优化设计 得到最优的参数 从仿真结果可以看出 经过参数优化的模糊控制系统具有良好的稳定性和鲁棒性 孙宜标提出的基于模糊自学习的交流直线伺服系统的滑模变结构控制 也成功 地运用了模糊自学习策略来对实际系统地不确磁定性因素进行在线学习 对滑模切 换控制的方