高精度数控机床进给驱动用正弦波直线电机的控制方法

摘要

本发明公开了一种高精度数控机床进给驱动用正弦波直线电机的控制方法，具体步骤为：运动轨迹跟踪模块将产生的位移误差E和误差变化率dE传送给位置控制环；位置控制环采用了自适应模糊控制算法，模糊控制器的输出速度量与测量的速度信号进行比较并传输给速度控制环；速度控制环将产生的误差信号与d轴分量的误差信号一起传输给电流控制环；电流控制环采用带有PI调节器的空间矢量PWM调制技术，控制逆变器输出电流的大小，从而控制电机的输出转矩；反馈信号检测模块将反馈信号输出给电流控制环，对电机的输出转矩进行调整。本发明将自适应控制、模糊控制以及交流电机的矢量控制结合在一起，提高了直线伺服电机的稳定性、精确度和动态响应能力。

说明书

技术领域

该发明涉及一种高精度数控机床进给驱动用直线伺服电机的控制方法，具体地说是一种带有自适应模糊控制算法的直线伺服电机的矢量控制方法。

背景技术

目前，由于数控加工领域在速度、加速度、精度以及工作行程方面的需求越来越高，新型数控机床逐渐趋向于采用直线电机作为进给驱动电机以替代传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的进给方式。但是，由于直线电机直接与加工刀具连接，外部负载的扰动、摩擦力会直接传给直线电机，再考虑到直线电机在工作时各种参数的变化以及控制系统的不确定因素的影响，这就对直线电机的控制提出了更高的要求。

由于正弦波直线永磁电机具有高功率密度以及快速、精确的高控制性能，使其成为进给驱动用直线电机的首选。对于这种电机控制方法的研究一直以来是一个热点，例如采用鲁棒控制技术来克服控制系统的各种扰动，但这种方法是基于精确模型参数的控制方法，而直线电机的模型具有诸多不确定性而且有些参数难以测量。有人考虑采用传统的自适应控制方法，包括模型参考自适应控制、自调节控制以及滑模变结构控制等，这类控制方法的优点是可以摆脱对电机精确参数的依赖。智能控制技术如模糊控制、神经网络控制等近年来已经被研究者应用于伺服驱动控制中，并取得了理想的运动控制性能。但是目前还没有将自适应控制、模糊控制已及交流电机的矢量控制结合在一起的技术用于电机控制中。

发明内容

为了克服直接进给驱动控制系统中出现的在外部干扰影响下系统不稳定、控制精度差和动态响应能力低等问题。本发明的目的是提供一种基于自适应模糊算法的正弦波直线伺服电机的控制方法，该控制方法将自适应控制、模糊控制已及交流电机的矢量控制结合在一起，可有效地克服各种扰动和不确定性对控制系统的影响，提高了直线伺服电机的稳定性、精确度和动态响应能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高精度数控机床进给驱动用正弦波直线电机的控制方法，其特征在于：该控制方法通过运动轨迹跟踪模块、位置控制环、速度控制环、电流控制环和反馈信号检测模块对正弦波直线电机进行控制，具体包括以下步骤：

1)运动轨迹跟踪模块将产生的位移参考指令与采集的实时位移信号进行比较，并将产生的位移误差E和误差变化率dE传送给位置控制环；

2)位置控制环采用了自适应模糊控制算法，先将两个输入量模糊化，根据已制定的模糊规则并利用乘积推理机进行模糊推理，解模糊后即可得到模糊控制器的输出；同时，位移参考指令还经过一个二阶参考模型和采集的实时位移信号比较，产生的位移误差用来校正模糊控制器中的解模糊参数，以消除控制对象的动态不确定性和负载变化；模糊控制器的输出速度量与测量的速度信号进行比较并传输给速度控制环；

3)速度控制环采用简单的P调节器，其输出量为电机电流的q轴分量，该分量作为参考量与采集变换来的绕组电流的q轴分量进行比较，产生的误差信号与d轴分量的误差信号一起传输给电流控制环；

4)电流控制环采用带有PI调节器的空间矢量PWM调制技术，d、q两个电流分量分别经过PI控制器后输出为两个轴的电压分量，经过坐标变换后输出基于定子坐标系的三相电压，最后经空间矢量PWM模块生产6路PWM输出，控制逆变器输出电流的大小，从而控制电机的输出转矩；

5)反馈信号检测模块将电流互感器测定的相电流信号和直线光电编码器测得的直线电机的位移信号传输给电流控制环，对电机的输出转矩进行调整。

本发明中，在电流控制环中设有控制信号反馈模块，该反馈信号由电流互感器测定的相电流信号和直线光电编码器测得的直线电机的位移信号组成。

运动轨迹跟踪模块中采用点对点(PTP)位置控制方法。位置控制环中模糊控制器采用了单值模糊器、乘积推理方法和中心平均解模糊方法；参考模型采用二阶系统，校正机制采用梯度下降法。

本发明是自适应控制、模糊控制已及交流电机的矢量控制的有机结合。本发明的有益效果如下：

1、本发明中电流控制环采用的电压空间矢量PWM方法可以有效降低功率开关器件的开关损耗，提高了系统的动态响应能力。

2、本发明中位置控制环采用的自适应模糊控制方法可以有效地抑制各种扰动和不确定性对控制系统的影响，提高了伺服控制系统的稳定性和精确度。

3、本发明中采用正弦波直线电机直接进给驱动方式代替传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的进给方式，可以大大提高伺服系统的速度、加速度、动态响应能力和精确度。

本发明将自适应控制、模糊控制已及交流电机的矢量控制结合在一起，可有效地克服各种扰动和不确定性对控制系统的影响，提高了直线伺服电机的稳定性、精确度和动态响应能力。特别适用于进给驱动装置采用直线电机的高速数控机床的高精度伺服系统中。

附图说明

图1为本发明的控制框图。

图2为静止坐标系和同步旋转坐标系之间的关系图。

图3为基于DSP的电压空间矢量实现流程图。

图4为模糊控制器构造原理图。

具体实施方式

一种本发明所述的高精度数控机床进给驱动用正弦波直线电机的控制方法，具体包括以下步骤：

运动轨迹跟踪模块将产生的位移参考指令与采集的实时位移信号进行比较，并将产生的位移误差E和误差变化率dE传送给位置控制环；

位置控制环采用了自适应模糊控制算法，先将两个输入量模糊化，根据已制定的模糊规则并利用乘积推理机进行模糊推理，解模糊后即可得到模糊控制器的输出；同时，位移参考指令还经过一个二阶参考模型和采集的实时位移信号比较，产生的位移误差用来校正模糊控制器中的解模糊参数，以消除控制对象的动态不确定性和负载变化；模糊控制器的输出速度量与测量的速度信号进行比较并传输给速度控制环；

速度控制环采用简单的P调节器，其输出量为电机电流的q轴分量，该分量作为参考量与采集变换来的绕组电流的q轴分量进行比较，产生的误差信号与d轴分量的误差信号一起传输给电流控制环；

电流控制环采用带有PI调节器的空间矢量PWM调制技术，d、q两个电流分量分别经过PI控制器后输出为两个轴的电压分量，经过坐标变换后输出基于定子坐标系的三相电压，最后经空间矢量PWM模块生产6路PWM输出，控制逆变器输出电流的大小，从而控制电机的输出转矩；

反馈信号检测模块将电流互感器测定的相电流信号和直线光电编码器测得的直线电机的位移信号传输给电流控制环，对电机的输出转矩进行调整。

如图1所示，被控对象正弦波永磁直线电机在同步旋转d、q轴坐标系下的动态数学模型为：

$\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_s}{L_d}{i}_d+\frac{\pi }{\tau }\frac{L_q}{L_d}\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}{i}_q+\frac{1}{L_d}{v}_d\\ \frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_s}{L_q}{i}_q-\frac{\pi }{\tau }\frac{L_d}{L_q}\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}{i}_d-\frac{\pi }{\tau }\frac{{\lambda }_f}{L_q}\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{L_q}{v}_q\end{array}\right)---\left(1\right)$

产生的电磁推力为：

$F_e=-\frac{3}{2}\frac{\pi }{\tau }((L_d-L_q)i_d+{\lambda }_f)i_q---\left(2\right)$

若考虑负载阻力，永磁直线电机的动态运动方程为：

$F_e-F_L=M_m\frac{d^2{x}_p}{{\mathrm{dt}}^2}+B_m\frac{{\mathrm{dx}}_p}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

如图1所示，电流控制环包括两个PI调节器、坐标变换(包括Clark、Clark^-1、Park、Park^-1四个坐标变换)、SVPWM等模块。通过矢量变换对高度耦合高度非线性的直线电机的电感特性进行解耦，采用了id＝0的矢量控制，这样只要使定子电流的方向始终在q轴方向上，就可以通过控制定子电流的大小来直接控制电机的推力，此时，式(2)变为：

$F_e=-\frac{3}{2}\frac{\pi }{\tau }{\lambda }_f{i}_q=K_t{i}_q---\left(4\right)$

静止3相、2相坐标系以及同步旋转2相坐标系的位置关系图如图2所示。图3是基于DSP的空间电压矢量的实现流程图。

如图1所示，位置控制环包括模糊控制器、自适应校正机制、参考模型等。模糊控制器的结构如图4所示，跟踪误差e和误差变化率de定义为：

$\left(\begin{array}{c}e\left(k\right)=x_p^{*}\left(k\right)-x_p\left(k\right)\\ \mathrm{de}\left(k\right)=e\left(k\right)-e(k-1)\end{array}\right)---\left(5\right)$

将跟踪误差e和误差变化率de作为模糊控制器的输入，速度v_f作为模糊控制器的输出，e、de、v_f都进行了归一化处理，归一化系数分别为K_e、K_de、K_vf，选择对称三角形函数作为隶属函数，确定输入输出变量的语言值。

模糊控制器采用了单值模糊器、乘积推理方法和中心平均解模糊方法。

参考模型采用了二阶系统，其传递函数为：

$\frac{x_m\left(s\right)}{x_p^{*}\left(s\right)}=\frac{{\omega }_n^2}{s^2+2\zeta {\omega }_{n}s+{\omega }_n^2}---\left(6\right)$

根据电机控制要求，该二阶系统为无超调、响应快速且稳态误差为零的系统。选择阻尼系数ξ＝1，则在上述约束下上升时间t_r和自然频率ω_n之间的关系如下：

$(1-{\omega }_n{t}_r)e^{-{\omega }_n{t}_r}=0.1---\left(7\right)$

一旦t_r给定，就可以求出ω_n。并且用双曲变换可以得到参考模型传递函数的离散形式：

$\frac{x_m\left(z^{-1}\right)}{x_p^{*}\left(z^{-1}\right)}=\frac{a_0+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}}{1+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}}---\left(8\right)$

差分方程为：

$x_m\left(k\right)=-b_1{x}_m(k-1)-b_2{x}_m(k-2)-a_0{x}_p^{*}\left(k\right)+a_1{x}_p^{*}(k-1)+a_2{x}_p^{*}(k-2)---\left(9\right)$

校正机制采用了梯度下降法，通过最小化参考模型输出与电机动子位移差值的平方来校正模糊控制器的解模糊参数：

$J(k+1)=\frac{1}{2}{e}_m{(k+1)}^2=\frac{1}{2}{[x_m(k+1)-x_p(k+1)]}^2---\left(10\right)$

$\Delta c_{m,n}(k+1)\propto -\frac{\partial J(k+1)}{\partial c_{m,n}\left(k\right)}=-\alpha \frac{\partial J(k+1)}{\partial c_{m,n}\left(k\right)}---\left(11\right)$

直线电机动子运动轨迹的跟踪采用了点对点的位置控制方式，每一个采样周期期间的瞬时位置指令可以有下列步骤得到：

(1)先计算除去加速过程的时间时间，再计算考虑加速过程的总时间：

T₁＝Δx_p/V

T_o＝MAX(T₁，T_acc)+T_acc

(2)求取采样周期的倍数：N′＝[T_acc/t_d]和N＝[T_o/t_d]

(3)更新最大速度：V′＝Δx_p/(T′_o-T′_acc)

(4)求取加速度：A＝V′/T′_acc

(5)计算瞬时位置指令：

a)加速区：

b)匀速区：

c)减速区：

本发明将自适应控制、模糊控制已及交流电机的矢量控制结合在一起，可有效地克服各种扰动和不确定性对控制系统的影响，提高了直线伺服电机的稳定性、精确度和动态响应能力。