雙直線電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究

1、雙直線電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究王麗梅,黃飛(沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,遼寧沈陽110178摘要:雙直線電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)是龍門移動(dòng)式鏜銑加工中心的關(guān)鍵技術(shù)。將解耦控制和內(nèi)?？刂茟?yīng)用在由兩臺(tái)永磁直線同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的龍門移動(dòng)式鏜銑加工中心上。針對(duì)龍門柱存在的機(jī)械耦合設(shè)計(jì)了解耦控制器,解耦后的系統(tǒng)可以看作是兩個(gè)獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng)。然后,對(duì)解耦后的單電機(jī)伺服系統(tǒng)提出了一種二自由度內(nèi)?？刂品桨?使系統(tǒng)對(duì)參考輸入信號(hào)具有較高的響應(yīng)能力,并且能夠很好地抑制模型失配與外部擾動(dòng)。仿真結(jié)果表明,所提出的控制方案具有響應(yīng)速度快,魯棒性強(qiáng),動(dòng)態(tài)過程同步誤差小的優(yōu)點(diǎn),從而能夠較好地滿足高精度同步控制的要求。關(guān)鍵詞:龍門移動(dòng)式

2、鏜銑加工中心;永磁直線同步電機(jī);同步驅(qū)動(dòng);解耦控制;內(nèi)?？刂浦袌D分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: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 基金項(xiàng)目:沈陽科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(1071201-1-00作者簡(jiǎn)介:王麗梅(1969-,女,教授,博士生導(dǎo)師,Email :

7、wanglm 1引言數(shù)控龍門移動(dòng)式鏜銑床在重型機(jī)床中最具代表性,是實(shí)現(xiàn)大型工件五面體加工的理想設(shè)備。但在重型龍門移動(dòng)式加工機(jī)床中,存在著不平衡受力問題。由于龍門及其相配套的部件、橫梁及其相匹配的部件等大型組件并不總是形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)與對(duì)稱受力,再加上制造與安裝上的某些誤差的不一致性,以及在實(shí)際運(yùn)行中存在著難以預(yù)料的各種不確定性擾動(dòng),所以在實(shí)際上盡管采用左、右完全相同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和進(jìn)給伺服系統(tǒng),最終還是不能保持龍門框架或橫梁移動(dòng)的平行性,這是由于框架立柱或橫梁兩端運(yùn)動(dòng)的不同步造成的。這樣,由于機(jī)械上的強(qiáng)耦合,將導(dǎo)致移動(dòng)部件發(fā)生微扭斜,致使工件加工精度無法保證,甚至使龍門框架或驅(qū)動(dòng)元件受到損壞1。本文所

8、設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)元件采用兩臺(tái)相同的永磁直線同步電機(jī),以發(fā)揮其高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)快速同步。采用解耦控制技術(shù)來消除或者減輕機(jī)械耦合對(duì)雙電機(jī)的相互影響,以提高同步控制精度。針對(duì)解耦后的單電機(jī)位置伺服系統(tǒng)提出一種二自由度內(nèi)?？刂品桨?所設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、在線調(diào)節(jié)參數(shù)少,且容易調(diào)整,對(duì)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。理論15EL ECTRIC DRIV E 2009Vol.39No.6電氣傳動(dòng)2009年第39卷第6期分析和仿真結(jié)果表明,本文所提出的控制方案可以使系統(tǒng)具有良好的位置跟隨性能和抗擾性能,魯棒性強(qiáng),動(dòng)態(tài)過程同步誤差小。2直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型2永磁直線同步電動(dòng)機(jī)(PMLSM是直接將交流

9、電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的推力裝置。對(duì)PMLSM進(jìn)行矢量控制,d2q坐標(biāo)系下其簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型為2F e=K T i q=M d vd t+B v+F1+F d(1s=v d t(2式中:F e為電磁推力;K T為推力系數(shù);i q為q軸電流分量;M為電機(jī)動(dòng)子及所帶負(fù)載的質(zhì)量;v為動(dòng)子線速度;B為粘滯摩擦系數(shù);F1為負(fù)載阻力;F d為端部效應(yīng)產(chǎn)生的阻力;s為動(dòng)子機(jī)械位移。3解耦控制器的設(shè)計(jì)為了提高雙直線電機(jī)的同步精度, 消除被控對(duì)象之間的耦合作用,為此可以采用解耦的方法。將這一雙變量控制系統(tǒng)解耦之后,轉(zhuǎn)化成獨(dú)立的單變量系統(tǒng),然后按單變量控制系統(tǒng)原理來進(jìn)行解耦后的設(shè)計(jì)。為使解耦后的系統(tǒng)和斷開耦合通道與解耦

10、通道后所給的單變量系統(tǒng)一樣,不改變根據(jù)主通道設(shè)計(jì)的控制器的特性,可采用理想解耦設(shè)計(jì)原理3。圖1為理想解耦控制原理圖,其中,C(s為控制器,N(s為解耦控制器,G(s為被控對(duì)象。圖1理想解耦控制原理圖Fig.1Structure of ideal decoupling control principle由圖1可得系統(tǒng)輸出為Y(s=1+G(sN(sC(s-1G(sN(sC(sX(s(3要求解耦以后的系統(tǒng)變成兩個(gè)單變量系統(tǒng),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

11、(s=G11(sC11(s1+G11(sC11(sG22(sC22(s1+G22(sC22(s=11+G11(sC11(s11+G22(sC22(s×G11(s00G22(sC11(s00C22(s(5根據(jù)解耦要求應(yīng)當(dāng)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通過理想解耦環(huán)節(jié),系統(tǒng)從動(dòng)態(tài)上恢復(fù)了原有的控制系統(tǒng),使被控對(duì)象恢復(fù)其開環(huán)的主通道特性。解耦以后所得到的單變

12、量控制系統(tǒng)的控制對(duì)象仍然是G11(s,G22(s,但解耦后系統(tǒng)變成了兩個(gè)單變量系統(tǒng),可以分別加以獨(dú)立控制。4內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)內(nèi)模控制是一種基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略,它實(shí)際上屬于一種魯棒控制4。內(nèi)模控制的基本思想是與被控對(duì)象并聯(lián)一個(gè)與對(duì)象盡量一致的標(biāo)稱模型,利用其輸出與實(shí)際對(duì)象的輸出之差反饋到控制器的輸入端,來抑制參數(shù)變化、模型失配與外部干擾信號(hào),以提高系統(tǒng)的魯棒性和抑制干擾能力。與傳統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)相比,內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,同時(shí)也具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性5。但是,常規(guī)的內(nèi)?？刂破魇且环N一自由度控制器,只有一個(gè)可調(diào)參數(shù),它與系統(tǒng)的給定值跟隨性能和干擾抑制性能有

13、著直接的關(guān)系。一般來說,在整定參數(shù)時(shí),一般要在系統(tǒng)的給定值跟隨性能、干擾抑制性能和魯棒性之間進(jìn)行折中選擇,通過反復(fù)試湊才能完成,這正是常規(guī)內(nèi)?？刂频牟蛔阒帯?5電氣傳動(dòng)2009年第39卷第6期王麗梅,等:雙直線電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究為克服常規(guī)內(nèi)?？刂频牟蛔?本文對(duì)解耦后的兩個(gè)獨(dú)立的單電機(jī)伺服系統(tǒng)采用一種二自由度內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)方案。單電機(jī)所采用的二自由度內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,其中G m (s 為位置被控對(duì)象的內(nèi)部模型,C 1(s 和C 2(s 構(gòu)成二自由度內(nèi)?？刂破?C v (s 為速度控制器 。圖2單電機(jī)二自由度內(nèi)模控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2System structure of 22D

14、OF IMC for single motor圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以等效變化為圖3所示的控制系統(tǒng) 。圖3等效的二自由度內(nèi)模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3Structure of equivalent 22DOF IMC system由圖2和圖3可得,C 1(s ,C 2(s 和Q 1(s ,Q 2(s 有如下關(guān)系Q 1(s =C 1(s /C 2(s (9Q 2(s =C 2(s /1-G m (s C 2(s (10這樣Q 1(s 和Q 2(s 的設(shè)計(jì)就可以通過設(shè)計(jì)C 1(s 和C 2(s 來完成。圖3中,速度控制器采用比例調(diào)節(jié)器C v (s =K v ,通過設(shè)計(jì)Q 1(s 和Q 2(s 使系統(tǒng)同

15、時(shí)獲得良好的位置跟隨性能和抗干擾性能,Q 1(s 主要用來調(diào)整系統(tǒng)的位置跟隨性能,Q 2(s 主要用來調(diào)整系統(tǒng)的抗干擾性能。根據(jù)圖2可得到位置環(huán)被控對(duì)象的標(biāo)稱數(shù)學(xué)模型為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根據(jù)內(nèi)?？刂圃?,7,取C 1(s 和C 2(s 分別為C 1(s =G -1m +(s f 1(s (12C 2(s =G -1m +(s f 2(s (13式中:G m +(s 為模型G m (s 中具有最小相位特性的傳遞函數(shù);f 1(s ,f 2(s 為

16、系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性所增加的低通濾波器。為了使伺服系統(tǒng)獲得良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能,本文根據(jù)內(nèi)?？刂圃硖岢鼍哂腥缦聜鬟f函數(shù)的低通濾波器。f 1(s =31s +1(2s +13(14f 2(s =32s +1(2s +13(15根據(jù)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 即為所要設(shè)計(jì)的控制器,它僅有兩個(gè)可調(diào)的參數(shù)1和2。根據(jù)圖3和式(16,式(17,經(jīng)過推導(dǎo)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

17、 K T 22s (2s +3(2s +13(Ts +1(19從上述兩式可以看出,改變1可以調(diào)整系統(tǒng)的位置跟隨性能,不影響系統(tǒng)的抗干擾性能;改變2可以調(diào)整系統(tǒng)的抗干擾性能,但對(duì)系統(tǒng)的位置跟隨性能有影響。因此,在確定1和2時(shí),應(yīng)先根據(jù)抗擾性能的要求確定2,然后再根據(jù)位置跟隨性能的要求確定1,以使系統(tǒng)同時(shí)獲得良好的位置跟隨性能和抗干擾性能。K v ,1和2的具體數(shù)值可以根據(jù)系統(tǒng)的性能要求,借助計(jì)算機(jī)輔助分析的方法確定。5系統(tǒng)仿真為驗(yàn)證本文所提出的設(shè)計(jì)方法的有效性,使用Matlab 軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。采用參數(shù)相同的2臺(tái)永磁直線同步電機(jī),電機(jī)主要參數(shù):K T =25N/A ,M =10kg

18、,B =1.2Ns/m 。2個(gè)位置伺服系統(tǒng)采用相同的位置給定輸入信號(hào),均為2mm 的階躍信號(hào)。當(dāng)t =1s 時(shí),系統(tǒng)1突加100N 的階躍擾動(dòng),同時(shí)系統(tǒng)2突加200N 的階躍擾動(dòng)。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。由仿真曲線可以看出,雖然給系統(tǒng)突加了大小不同的擾動(dòng),系統(tǒng)出現(xiàn)了同步誤差,但是該誤差很快趨于零,輸出趨于一致。當(dāng)t =1s 時(shí),系統(tǒng)1突加100N 的階躍擾動(dòng);當(dāng)t =3s 時(shí),系統(tǒng)2突加200N 的階躍擾動(dòng)。系統(tǒng)的位置同步誤差曲線如圖5所示。由仿真曲線35王麗梅,等:雙直線電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究電氣傳動(dòng)2009年第39卷第6期可以看出該系統(tǒng)能夠迅速回到穩(wěn)定狀態(tài),達(dá)到要求的性能指標(biāo),同步性

19、能較好 。圖4系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig.4System step res 2ponse curve圖5位置同步誤差曲線Fig.5Position synchr 2onous error curve6結(jié)論本文對(duì)龍門移動(dòng)式鏜銑床中雙直線電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)問題進(jìn)行了研究,針對(duì)伺服系統(tǒng)間的耦合作用,設(shè)計(jì)了解耦控制器,并設(shè)計(jì)了二自由度內(nèi)模控制器以提高單電機(jī)伺服系統(tǒng)的位置跟隨性能、抗干擾性能和魯棒性,進(jìn)而提高系統(tǒng)的同步傳動(dòng)精度。所設(shè)計(jì)的同步控制方案參數(shù)調(diào)整方便,控制器容易實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)速度快 ,抗擾動(dòng)能力強(qiáng),并能快速恢復(fù)到同步狀態(tài)。參考文獻(xiàn)1郭慶鼎,趙希梅,翁秀華.基于干擾觀測(cè)器的龍門移動(dòng)式鏜銑加工中

20、心同步控制J .電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(9:88-91.2郭慶鼎,王成元,周美文,等.直線交流伺服系統(tǒng)的精密控制M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.3尹美蘭.多變量?jī)?nèi)模解耦控制的研究D .北京:化工大學(xué),2006.4Rayomond G orez.New Design Relation for 22DO F PIDControl SystemJ .Automatica ,2003,39(5:901-908.5郭慶鼎,孫宜標(biāo),王麗梅.現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)M .北京:中國電力出版社,2006.6ZHAN G Jing 2gang ,CH EN Zhi 2mei ,ZHAO Zhi 2

21、cheng.ANew Antiwindup Speed Controller for Induction Motor Drive SystemCProceeding of 4t h International Confer 2ence on Electrical Machines and Systems.Shenyang ,2001,8:1240-1243.7趙曜.內(nèi)?？刂瓢l(fā)展綜述J .信息與控制,2000,29(6:526-530.收稿日期:2008206219修改稿日期:2009201209(上接第46頁圖14恒壓頻比模糊PID 控制速度和張力曲線波形Fig.14Speed and tension wavs wit h fuzzy PIDcontrol in V /f mode從圖13、圖14中的波形可得結(jié)論:在恒壓頻比方式下,模糊PID 控制器在