基于直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動控制技術(shù)
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2 直線電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)
一個(gè)直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅是性能良好的直線電機(jī)，還必須是能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法越來越多。對直線電機(jī)控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個(gè)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(yùn)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(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電機(jī)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)。
在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運(yùn)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(jìn)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(yùn)行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時(shí)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(jī)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(jī)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(bǔ)短，以獲得更好的控制性能。
3 直線電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)應(yīng)用
3．1 活塞車削數(shù)控系統(tǒng)
在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(拖板)之間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)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(jī)驅(qū)動方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。其一，高速響應(yīng)。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動件(如絲杠等)，使整個(gè)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(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動時(shí)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(jī)床的定位精度。采用直線電機(jī)的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)由于具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，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(xué)技術(shù)大學(xué)非圓切削研究中心開發(fā)了基于直線電機(jī)的高頻響大行程數(shù)控進(jìn)給單元。當(dāng)用于數(shù)控活塞機(jī)床時(shí)，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(dá)13 g。由于直線電機(jī)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2所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/160525.htm
這是一個(gè)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(jī)械誤差可以由反饋消除，獲得較高的精度。
3．2 采用直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)
采用PC機(jī)與開放式可編程運(yùn)動控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，以通用微機(jī)及Windows操作系統(tǒng)為平臺，用PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)插件形式的運(yùn)動控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放。基于直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。
系統(tǒng)采用在PC機(jī)的擴(kuò)展槽中插入PCI-8132型運(yùn)動控制卡的方案，由PC機(jī)、運(yùn)動控制卡、伺服驅(qū)動器、直線電機(jī)、數(shù)控工作臺等部分組成。其中，數(shù)控工作臺由直線電機(jī)驅(qū)動，伺服控制和機(jī)床邏輯控制均由運(yùn)動控制器完成，運(yùn)動控制器可編程，以運(yùn)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(kuò)展)。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運(yùn)動控制卡。它能產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，控制2個(gè)軸的電機(jī)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)。在數(shù)控加工中，提供位置反饋。當(dāng)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(diǎn)，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(jī)上最先進(jìn)、最通用的一種總線。
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