直线电机驱动平台控制策略的研究
摘要：相较于旋转电机，直线电机能够直接将电能转化为直线运动而不需要借助任何中间传动环节，能够满足高精数控系统和精密测量等诸多应用场合的需求，但这种控制方式由于消除了旋转电机的中间传动机械链，负载变化直接作用于直线电机，所以使精确控制变得更难以实现。本文主要探讨在数控机床控制中的有关直线电机驱动平台控制策略的研究。
关键词：直线电机；驱动平台；控制策略；研究
在许多要求高速、高精度和快速响应等控制领域，被控对象往往要求具有很高的传动精度和可靠性，而旋转电机因为受机械传动链的拖累，已难以满足高精度要求的加工系统、精密测量等诸多应用场合的需求。由于直线电机减少了中间环节，而且进给行程几乎不受限制，所以直线电机伺服系统采用了直接驱动的方式，这种方式具有结构简单、动态响应快、定位精度高、调速范围广等优点，能够满足高精度要求的加工系统和精密测量等诸多应用场合的需求，但这种控制方式由于消除了旋转电机的中间传动机械链，负载变化直接作用于直线电机，所以使精确控制变得更难以实现。
一、直线电机概述
（一）工作原理
所谓线性马达又称为直线电机，是一种将传统的旋转电机沿轴线方向切开后，将旋转电机的初级展开作为直线电机（线性马达）的定子，次级通电后在电磁力的作用下沿着初级做直线运动，称为直线电机（线性马达）的转子。直线电机作为一种传动装置，能够将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构。
（二）直线电机的特点
根据直线电机概念、原理，认识直线电机应把握以下特点：
（1）进给速度范围宽。可覆盖从1mm/s～1m/s及以上的速度范围，目前成熟的移动控制系统中的直线电机快进速度已达3.5m/s，而传统机床中移动控制系统的快进速度小于60m/rain，一般为0.3～0.5m/s。
（2）速度特性好。速度偏差可达0.01%以下，加速度大，直线电机最大加速度可达30g，目前加工中心的进给加速度已达3.24g，激光加工设备给加速度已达5g，而传统机床进给加速度在1g以下，一般为0.3～0.5g。
（3）定位精度高。一般采用光栅尺闭环控制，单轴分辨率一般为0.5μm或0.1μm，其单轴定位精度可达±2μm以内。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。
（4）行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般为4～6m，更长的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，由于定子采用模块化拼接，组装工艺简单，已知的大型高速加工中心Z轴行程大于40m。重要的是，直线电机在较长行程中也能保证高定位精度，使用直线电机的大型设备在3m的行程中单轴定位精度小于10μm。另外，直线电机还具有结构简单、运动平稳、噪声小、运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠等优点。
二、直线电机的驱动控制技术
一个直线电机应用系统不仅是性能良好的直线电机，还必须是能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。
传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。
在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。
近年來模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、Hoo控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。
三、直线电机的驱动控制技术应用
（一）活塞车削数控系统
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。其一，高速响应。由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。其二，精度高。直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。
（二）采用直线电机的开放式数控系统
采用PC机与开放式可编程运动控制器构成数控系统，以通用微机及Windows操作系统为平台，用PC机上的标准插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。
系统采用在PC机的扩展槽中插入PCI-8132型运动控制卡的方案，由PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等部分组成。其中，数控工作台由直线电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程序的方式解释执行数控程序（G代码等，支持用户扩展）。PCI-8132是具有PCI接口的2轴运动控制卡。它能产生高频脉冲驱动步进电机和伺服电机，控制2个轴的电机运动，实现直线和圆弧插补。在数控加工中，提供位置反馈。当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式。
（三）采用直线电机数控系统软件
系统软件在Windows平台上开发。采用模块化程序设计，由用户输入输出界面、预处理模块等组成。用户输入输出界面实现用户的输入、系统的输出。用户输入的主要功能是让用户输入数控代码，发出控制命令，进行系统的参数配置，生成数控机床零件加工程序（G代码指令）。预处理模块读取G代码指令后，通过编译生成能够让PCI-8132运动控制卡运行的程序，从而驱动直线电机，完成直线或圆弧插补。读取G代码的过程是首先进行参数的设定，然后读取G代码。
四、结束语
采用直线电机的数控机床控制技术已在不同种类的机床上得到应用。直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，有关问题相应解决。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统，配以合理的机床设计，完全可以设计制造出高性能、高可靠性的数控机床。
参考文献
[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]曾光奇，胡均安，王东等.模糊控制理论与工程应用[M].武汉：华中科技大学版社，2006.
（作者单位：德中（天津）技术发展股份有限公司）