一個直線電機應(yīng)用系統(tǒng)不僅是性能良好的直線電機,還必須是能在安全可靠的條件下實現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機技術(shù)的發(fā)展,直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個方面:一是傳統(tǒng)控制技術(shù),二是現(xiàn)代控制技術(shù),三是智能控制技術(shù)。
傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制蘊涵動態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和未來的信息,而且配置幾乎為最優(yōu),具有較強的魯棒性,是交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果,往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。
圖:眾為興QXL直驅(qū)產(chǎn)品
在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下,采用傳統(tǒng)控制技術(shù)是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合,就必須考慮對象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響,運行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因數(shù),才能得到滿意的控制效果。因此,現(xiàn)代控制技術(shù)在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及智能控制。
近年來模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法也被引入直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結(jié)合,取長補短,以獲得更好的控制性能。
直線電機的驅(qū)動控制技術(shù)應(yīng)用如下:
活塞車削數(shù)控系統(tǒng)
在機床進給系統(tǒng)中,采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺(拖板)之間的機械傳動環(huán)節(jié),把機床進給傳動鏈的長度縮短為零,因而這種傳動方式又被稱為“零傳動”。正是由于這種“零傳動”方式,帶來了原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。其一,高速響應(yīng)。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件(如絲杠等),使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高,反應(yīng)異常靈敏快捷。其二,精度高。直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差,減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制,即可大大提高機床的定位精度。采用直線電機的直線運動機構(gòu)由于具有響應(yīng)快、精度高的特點,已成功地應(yīng)用于異型截面工件的CNC車削和磨削加工中。針對產(chǎn)量最大的非圓截面零件,國防科學技術(shù)大學非圓切削研究中心開發(fā)了基于直線電機的高頻響大行程數(shù)控進給單元。當用于數(shù)控活塞機床時,工作臺尺寸為600 mm×320 mm,行程為100 mm,最大推力為160 N,最大加速度可達13 g。由于直線電機動子和工作臺已固定在一起,所以只能采用閉環(huán)控制,該單元的控制系統(tǒng)簡圖如圖所示。
這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng),內(nèi)環(huán)是速度環(huán),外環(huán)是位置環(huán)。采用高精度光柵尺作為位置檢測元件。定位精度取決于光柵的分辨率,系統(tǒng)的機械誤差可以由反饋消除,獲得較高的精度。
采用直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)
采用PC機與開放式可編程運動控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng),以通用微機及Windows操作系統(tǒng)為平臺,用PC機上的標準插件形式的運動控制器為控制核心,實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放。基于直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖3所示。
系統(tǒng)采用在PC機的擴展槽中插入PCI-8132型運動控制卡的方案,由PC機、運動控制卡、伺服驅(qū)動器、直線電機、數(shù)控工作臺等部分組成。其中,數(shù)控工作臺由直線電機驅(qū)動,伺服控制和機床邏輯控制均由運動控制器完成,運動控制器可編程,以運動子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序(G代碼等,支持用戶擴展)。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運動控制卡。它能產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動步進電機和伺服電機,控制2個軸的電機運動,實現(xiàn)直線和圓弧插補。在數(shù)控加工中,提供位置反饋。當今的工業(yè)控制技術(shù)中PCI總線漸漸地取代了ISA總線,成為主流總線形式,它有很多優(yōu)點,如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等,為用戶提供了極大的方便,是目前PC機上最先進、最通用的一種總線。