基于Turbo PMAC的高精密伺服直线电机运动控制研究

摘要

高速高精密数控机床不但要有很高的重复定位精度、低速运动平稳性，更要求有较高的进给速度及加减速度。当进给速度达到60m/min以上时，滚珠丝杠已经不适合做高速数控机床的进给系统，取而代之的是直线电机进给系统。本文将自行研制的直线电机作为机床进给系统的驱动装置，以光栅尺为反馈元件，采用力矩控制模式，直线电机直接进给系统的最高加速度可以达到5g。直线电机进给系统虽然省去了中间的传动环节，但是负载等外部干扰直接作用在直线电机上，这就使得对直线电机的控制变得更加困难。文中采用Turbo PMAC作为控制卡，与驱动器一起去控制直线电机，并在此基础上建立了系统模型，为了提高直线电机进给系统的定位精度，对系统的运动控制进行了研究。主要研究内容及其结论：
　　(1)Turbo PMAC控制直线电机速度前馈/力日速度前馈PID参数的实验研究。通过Turbo PMAC控制直线电机，了解PID参数在伺服控制中的作用，在多种工况下进行了PID参数调节，并在固定工况下进行了运动精度的测量，在负载质量为100kg时，速度在0～260000cts/s范围内的直线电机定位精度达到了50nm。
　　(2)模糊速度前馈PID自调整控制策略研究。根据对各参数的调节经验和对运动精度的影响情况，结合模糊控制理论，设计了模糊速度前馈PID自调整控制器；通过PMAC的自定义伺服算法功能，分别采用模糊前馈PID控制和前馈PID控制两种算法，在速度为170000cts/s的情况下做了对比实验。实验结果表明由模糊速度前馈、PID参数、加速度前馈组成的自适应控制器，调试时阶跃响应曲线上升时间较PID控制器小，抛物线响应曲线的跟随误差范围变小。
　　(3)为了克服PID参数调节困难和外界负载干扰，设计了直线电机控制系统的极点配置自适应控制器。通过该系统模型，根据上述参数调节情况，将系统的工况配置到希望的闭环极点。此时系统的超调量为0，阻尼比为1，系统带宽为100hz。同时设计了系统参数在线辨识器，通过辨识电机的负载质量和导轨阻尼系数，从而达到电机PID参数在线改变和负载质量在线补偿。
　　研究意义：本文在研究控制卡固有算法的基础上，研究了基于直线电机的模糊控制算法和基于极点配置的自适应控制算法，在一定程度上提高了直线电机的运动精度，促进了精密与超精密加工技术的发展。