摘要 以大推力直線電機(jī)及數(shù)控機(jī)床性能測(cè)試為背景，對(duì)雙邊型大推力永磁同步直線電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中使用Turbo Pmac Clipper作為運(yùn)動(dòng)控制器，對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行速度測(cè)試。運(yùn)用前饋+PID算法調(diào)節(jié)，盡可能得到設(shè)計(jì)的響應(yīng)曲線，并且減小直線電機(jī)跟隨誤差。結(jié)果表明，使用該控制方法能使直線電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)得到良好的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能。
關(guān)鍵詞 直線電機(jī)；PMAC；前饋+PID算法

傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如齒輪、蝸輪、皮帶、絲杠、滾珠絲杠、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，容易產(chǎn)生很多如：較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性形變、反向間隙、摩擦、振動(dòng)、磨損等問(wèn)題，所以不僅減小了傳動(dòng)效率，而且還增加了成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。雖然這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能已經(jīng)得到了改善，但是其間接傳動(dòng)的本質(zhì)不能從根本上解決。于是“直接驅(qū)動(dòng)”概念應(yīng)運(yùn)而生，直接驅(qū)動(dòng)是指不使用任何中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接將動(dòng)力源與負(fù)載相連進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這種傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、速度和加速度大、精度高、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。
直線電機(jī)就是直接驅(qū)動(dòng)的裝置，其中控制技術(shù)是直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的重點(diǎn)。PID調(diào)節(jié)是最早出現(xiàn)的一種自動(dòng)控制方法，控制簡(jiǎn)單而且效果顯著。尤其是在高精度運(yùn)動(dòng)控制中，運(yùn)用多閉環(huán)控制已經(jīng)越來(lái)越廣泛，伺服系統(tǒng)一般是三環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)為位置環(huán)，內(nèi)環(huán)依次為速度環(huán)、電流環(huán)。電機(jī)三環(huán)控制框圖如圖1所示。但是傳統(tǒng)的PID控制算法不能對(duì)摩擦力、負(fù)載擾動(dòng)等外界干擾及時(shí)消除，直線電機(jī)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、摩擦力敏感，極易產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差，降低了控制精度?；谝陨蠁?wèn)題，提出抗干擾較強(qiáng)的PID+前饋算法，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種控制方法可以提高控制精度。

1 直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制原理
直線電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制，使用Renishaw高精度直線光柵尺作為位置反饋元件，安裝于電機(jī)平臺(tái)底部，與平臺(tái)固定為一體，由于沒(méi)有與電機(jī)直接接觸，不會(huì)對(duì)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磨擦力。光柵反饋信號(hào)首先進(jìn)入放大器編碼器輸入端口，并由放大器的等量輸出端口反饋到PMAC卡，組成雙閉環(huán)反饋，根據(jù)光柵尺反饋的脈沖信號(hào)即可計(jì)算直線電機(jī)當(dāng)前位置，由控制器的PID調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)位移與實(shí)際位移的差值自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的控制參數(shù)，完成所需的進(jìn)給。閉環(huán)控制原理，如圖2所示。

PMAC控制的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個(gè)高速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，復(fù)雜的控制算法無(wú)法在如此短的時(shí)間內(nèi)完成伺服計(jì)算，所應(yīng)該采用計(jì)算量比較小的伺服算法。傳統(tǒng)的PID環(huán)節(jié)是偏差控制器，被控制量需要偏離設(shè)定值才能通過(guò)偏差進(jìn)行控制，存在一定的滯后性；由于系統(tǒng)受到擾動(dòng)，再加上系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化而產(chǎn)生的誤差，不能在閉環(huán)系統(tǒng)中消除，所以需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，抵消擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，即所謂的擾動(dòng)補(bǔ)償。控制框圖如圖3所示。

圖3為帶前饋的控制結(jié)構(gòu)框圖，其中，R(s)為系統(tǒng)輸入；E(s)為系統(tǒng)誤差；C(s)為系統(tǒng)的輸出；G(s)為PID控制器傳遞函數(shù)；Gp(s)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)；F(s)為前饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。得出帶前饋的系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)

式(1)說(shuō)明，當(dāng)前饋函數(shù)滿足F(s)=Gp(s)-1時(shí)，誤差函數(shù)為0，則C(s)=R(s)。說(shuō)明無(wú)論輸入信號(hào)如何變化，系統(tǒng)的誤差始終為0。前饋補(bǔ)償比只按誤差控制的閉環(huán)系統(tǒng)效果好。通常前饋微分階次為2時(shí)即可獲得滿意的控制效果。