双直线电机同步驱动技术的研究

1、双直线电机同步驱动技术的研究王丽梅,黄飞(沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳110178摘要:双直线电机同步驱动是龙门移动式镗铣加工中心的关键技术。将解耦控制和内模控制应用在由两台永磁直线同步电机驱动的龙门移动式镗铣加工中心上。针对龙门柱存在的机械耦合设计了解耦控制器,解耦后的系统可以看作是两个独立的单输入单输出系统。然后,对解耦后的单电机伺服系统提出了一种二自由度内模控制方案,使系统对参考输入信号具有较高的响应能力,并且能够很好地抑制模型失配与外部扰动。仿真结果表明,所提出的控制方案具有响应速度快,鲁棒性强,动态过程同步误差小的优点,从而能够较好地满足高精度同步控制的要求。关键词:龙门移动式

2、镗铣加工中心;永磁直线同步电机;同步驱动;解耦控制;内模控制中图分类号:TP273文献标识码:AR esearch on Synchrodrive T echnique of Du al Linear MotorsWAN G Li 2mei ,HUAN G Fei(School of Electrical Engineering ,S henyang University of T echnology ,S henyang 110178,L iaoning ,China Abstract :The synchrodrive technique of dual linear motors is

3、the important part in the gantry 2moving type boring 2milling maching center.A decoupling control and internal model theory application on gantry 2moving type boring 2milling maching center driven by dual permanent magnetic linear synchronous motors (PML SM was described.The decoupling control theor

4、y is used for restrain mechanical coupling effects ,so that the system can be treated as two independent single input single output systems.Then ,the proposed two 2degree 2of 2f ree 2dom (2-DOF internal model control (IMC scheme for single servo system decoupled can guarantee high re 2sponse ability

5、 for the reference signals ,high restraint ability for the model perturbations and the external dis 2turbances.The results of simulation indicate that the proposed scheme has the advantages of rapid response ,strong robustness ,and small dynamical synchronous error.Thus this control method can satis

6、fy the demand for the high precision synchronous control.K ey w ords :gantry 2moving type boring 2milling machining center ;permanent magnetic linear synchronous motor (PML SM ;synchrodrive ;decoupling control ;internal model control (IMC 基金项目:沈阳科学技术计划项目(1071201-1-001引言数控龙门移动式镗铣床在重型机床中最具代表性,是实现大型工件五

7、面体加工的理想设备。但在重型龙门移动式加工机床中,存在着不平衡受力问题。由于龙门及其相配套的部件、横梁及其相匹配的部件等大型组件并不总是形成对称结构与对称受力,再加上制造与安装上的某些误差的不一致性,以及在实际运行中存在着难以预料的各种不确定性扰动,所以在实际上尽管采用左、右完全相同的传动机构和进给伺服系统,最终还是不能保持龙门框架或横梁移动的平行性,这是由于框架立柱或横梁两端运动的不同步造成的。这样,由于机械上的强耦合,将导致移动部件发生微扭斜,致使工件加工精度无法保证,甚至使龙门框架或驱动元件受到损坏1。本文所设计的伺服系统,驱动元件采用两台相同的永磁直线同步电机,以发挥其高速动态响应能力

8、,进一步实现快速同步。采用解耦控制技术来消除或者减轻机械耦合对双电机的相互影响,以提高同步控制精度。针对解耦后的单电机位置伺服系统提出一种二自由度内模控制方案,所设计的控制器结构简单、直观、在线调节参数少,且容易调整,对系统具有较强的鲁棒性。理论15EL ECTRIC DRIV E 2009Vol.39No.6电气传动2009年第39卷第6期分析和仿真结果表明,本文所提出的控制方案可以使系统具有良好的位置跟随性能和抗扰性能,鲁棒性强,动态过程同步误差小。2直线电机数学模型2永磁直线同步电动机(PMLSM是直接将交流电能转换为直线运动的推力装置。对PMLSM进行矢量控制,d2q坐标系下其简化的数

9、学模型为2F e=K T i q=M d vd t+B v+F1+F d(1s=v d t(2式中:F e为电磁推力;K T为推力系数;i q为q轴电流分量;M为电机动子及所带负载的质量;v为动子线速度;B为粘滞摩擦系数;F1为负载阻力;F d为端部效应产生的阻力;s为动子机械位移。3解耦控制器的设计为了提高双直线电机的同步精度, 消除被控对象之间的耦合作用,为此可以采用解耦的方法。将这一双变量控制系统解耦之后,转化成独立的单变量系统,然后按单变量控制系统原理来进行解耦后的设计。为使解耦后的系统和断开耦合通道与解耦通道后所给的单变量系统一样,不改变根据主通道设计的控制器的特性,可采用理想解耦设

10、计原理3。图1为理想解耦控制原理图,其中,C(s为控制器,N(s为解耦控制器,G(s为被控对象。图1理想解耦控制原理图Fig.1Structure of ideal decoupling control principle由图1可得系统输出为Y(s=1+G(sN(sC(s-1G(sN(sC(sX(s(3要求解耦以后的系统变成两个单变量系统,即要求Y1(s X1(s=G11(sC11(s 1+G11(sC11(sY2(s X2(s=G22(sC22(s1+G22(sC22(s(4即G(sN(sC(s1+G(sN(sC(s=G11(sC11(s1+G11(sC11(sG22(sC22(s1+G22

11、(sC22(s=11+G11(sC11(s11+G22(sC22(s×G11(s00G22(sC11(s00C22(s(5根据解耦要求应当有G(sN(s=G11(s00G22(s(6所以N(s=G(s-1G11(s00G22(s(7得到N11(sN12(sN21(sN22(s=G11(sG22(sG11(sG22(s-G12(sG21(s×1-G12(sG11(s-G21(sG22(s1(8通过理想解耦环节,系统从动态上恢复了原有的控制系统,使被控对象恢复其开环的主通道特性。解耦以后所得到的单变量控制系统的控制对象仍然是G11(s,G22(s,但解耦后系统变成了两个单变量系

12、统,可以分别加以独立控制。4内模控制器的设计内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略,它实际上属于一种鲁棒控制4。内模控制的基本思想是与被控对象并联一个与对象尽量一致的标称模型,利用其输出与实际对象的输出之差反馈到控制器的输入端,来抑制参数变化、模型失配与外部干扰信号,以提高系统的鲁棒性和抑制干扰能力。与传统的反馈控制系统相比,内模控制系统具有较好的动态响应性能,同时也具有较好的稳定性和鲁棒性5。但是,常规的内模控制器是一种一自由度控制器,只有一个可调参数,它与系统的给定值跟随性能和干扰抑制性能有着直接的关系。一般来说,在整定参数时,一般要在系统的给定值跟随性能、干扰抑制性能

13、和鲁棒性之间进行折中选择,通过反复试凑才能完成,这正是常规内模控制的不足之处。25电气传动2009年第39卷第6期王丽梅,等:双直线电机同步驱动技术的研究为克服常规内模控制的不足,本文对解耦后的两个独立的单电机伺服系统采用一种二自由度内模控制结构方案。单电机所采用的二自由度内模控制结构框图如图2所示,其中G m (s 为位置被控对象的内部模型,C 1(s 和C 2(s 构成二自由度内模控制器,C v (s 为速度控制器 。图2单电机二自由度内模控制的系统结构图Fig.2System structure of 22DOF IMC for single motor图2所示的系统结构可以等效变化为图

14、3所示的控制系统 。图3等效的二自由度内模控制系统结构图Fig.3Structure of equivalent 22DOF IMC system由图2和图3可得,C 1(s ,C 2(s 和Q 1(s ,Q 2(s 有如下关系Q 1(s =C 1(s /C 2(s (9Q 2(s =C 2(s /1-G m (s C 2(s (10这样Q 1(s 和Q 2(s 的设计就可以通过设计C 1(s 和C 2(s 来完成。图3中,速度控制器采用比例调节器C v (s =K v ,通过设计Q 1(s 和Q 2(s 使系统同时获得良好的位置跟随性能和抗干扰性能,Q 1(s 主要用来调整系统的位置跟随性能

15、,Q 2(s 主要用来调整系统的抗干扰性能。根据图2可得到位置环被控对象的标称数学模型为G m (s =K v K T s (Ms +B +K v K T =Ks (Ts +1(11其中K =K v K T K v K T +B T =MK v K T +B根据内模控制原理6,7,取C 1(s 和C 2(s 分别为C 1(s =G -1m +(s f 1(s (12C 2(s =G -1m +(s f 2(s (13式中:G m +(s 为模型G m (s 中具有最小相位特性的传递函数;f 1(s ,f 2(s 为系统稳定性和鲁棒性所增加的低通滤波器。为了使伺服系统获得良好的稳态和动态性能,本

16、文根据内模控制原理提出具有如下传递函数的低通滤波器。f 1(s =31s +1(2s +13(14f 2(s =32s +1(2s +13(15根据式(9式(15可得Q 1(s =31s +132s +1(16Q 2(s =(32s +1(Ts +13K 22s23s +1(17Q 1(s 和Q 2(s 即为所要设计的控制器,它仅有两个可调的参数1和2。根据图3和式(16,式(17,经过推导可得Y (s Y r (s F 1(s =0=31s +1(2s +13(18Y (s F 1(s Y 1(s =0=KK v K T 22s (2s +3(2s +13(Ts +1(19从上述两式可以看出

17、,改变1可以调整系统的位置跟随性能,不影响系统的抗干扰性能;改变2可以调整系统的抗干扰性能,但对系统的位置跟随性能有影响。因此,在确定1和2时,应先根据抗扰性能的要求确定2,然后再根据位置跟随性能的要求确定1,以使系统同时获得良好的位置跟随性能和抗干扰性能。K v ,1和2的具体数值可以根据系统的性能要求,借助计算机辅助分析的方法确定。5系统仿真为验证本文所提出的设计方法的有效性,使用Matlab 软件对系统进行仿真实验研究。采用参数相同的2台永磁直线同步电机,电机主要参数:K T =25N/A ,M =10kg ,B =1.2Ns/m 。2个位置伺服系统采用相同的位置给定输入信号,均为2mm

18、 的阶跃信号。当t =1s 时,系统1突加100N 的阶跃扰动,同时系统2突加200N 的阶跃扰动。系统的阶跃响应曲线如图4所示。由仿真曲线可以看出,虽然给系统突加了大小不同的扰动,系统出现了同步误差,但是该误差很快趋于零,输出趋于一致。当t =1s 时,系统1突加100N 的阶跃扰动;当t =3s 时,系统2突加200N 的阶跃扰动。系统的位置同步误差曲线如图5所示。由仿真曲线35王丽梅,等:双直线电机同步驱动技术的研究电气传动2009年第39卷第6期可以看出该系统能够迅速回到稳定状态,达到要求的性能指标,同步性能较好 。图4系统阶跃响应曲线Fig.4System step res 2pon

19、se curve图5位置同步误差曲线Fig.5Position synchr 2onous error curve6结论本文对龙门移动式镗铣床中双直线电机同步驱动问题进行了研究,针对伺服系统间的耦合作用,设计了解耦控制器,并设计了二自由度内模控制器以提高单电机伺服系统的位置跟随性能、抗干扰性能和鲁棒性,进而提高系统的同步传动精度。所设计的同步控制方案参数调整方便,控制器容易实现。仿真结果表明系统响应速度快 ,抗扰动能力强,并能快速恢复到同步状态。参考文献1郭庆鼎,赵希梅,翁秀华.基于干扰观测器的龙门移动式镗铣加工中心同步控制J .电工技术学报,2005,20(9:88-91.2郭庆鼎,王成元,

20、周美文,等.直线交流伺服系统的精密控制M .北京:机械工业出版社,2000.3尹美兰.多变量内模解耦控制的研究D .北京:化工大学,2006.4Rayomond G orez.New Design Relation for 22DO F PIDControl SystemJ .Automatica ,2003,39(5:901-908.5郭庆鼎,孙宜标,王丽梅.现代永磁电动机交流伺服系统M .北京:中国电力出版社,2006.6ZHAN G Jing 2gang ,CH EN Zhi 2mei ,ZHAO Zhi 2cheng.ANew Antiwindup Speed Controller f

21、or Induction Motor Drive SystemCProceeding of 4t h International Confer 2ence on Electrical Machines and Systems.Shenyang ,2001,8:1240-1243.7赵曜.内模控制发展综述J .信息与控制,2000,29(6:526-530.收稿日期:2008206219修改稿日期:2009201209(上接第46页图14恒压频比模糊PID 控制速度和张力曲线波形Fig.14Speed and tension wavs wit h fuzzy PIDcontrol in V /f mode从图13、图14中的波形可得结论:在恒压频比方式下,模糊PID 控制器在动态性能