基于直線電機的數(shù)控機床驅動控制技術
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2 直線電機的驅動控制技術
一個直線電機應用系統(tǒng)不僅是性能良好的直線電機，還必須是能在安全可靠的條件下實現(xiàn)技術與經(jīng)濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術與微計算機技術的發(fā)展，直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術，二是現(xiàn)代控制技術，三是智能控制技術。
傳統(tǒng)的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態(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)，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統(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。
在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因數(shù)，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。
近年來模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等智能控制方法也被引入直線電動機驅動系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結合，取長補短，以獲得更好的控制性能。
3 直線電機的驅動控制技術應用
3．1 活塞車削數(shù)控系統(tǒng)
在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺(拖板)之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進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，帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。其一，高速響應。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應時間常數(shù)較大的機械傳動件(如絲杠等)，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。其二，精度高。直線驅動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。采用直線電機的直線運動機構由于具有響應快、精度高的特點，已成功地應用于異型截面工件的CNC車削和磨削加工中。針對產量最大的非圓截面零件，國防科學技術大學非圓切削研究中心開發(fā)了基于直線電機的高頻響大行程數(shù)控進給單元。當用于數(shù)控活塞機床時，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13 g。由于直線電機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
這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內環(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 采用直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)
采用PC機與開放式可編程運動控制器構成數(shù)控系統(tǒng)，以通用微機及Windows操作系統(tǒng)為平臺，用PC機上的標準插件形式的運動控制器為控制核心，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放。基于直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)的總體設計方案如圖3所示。
系統(tǒng)采用在PC機的擴展槽中插入PCI-8132型運動控制卡的方案，由PC機、運動控制卡、伺服驅動器、直線電機、數(shù)控工作臺等部分組成。其中，數(shù)控工作臺由直線電機驅動，伺服控制和機床邏輯控制均由運動控制器完成，運動控制器可編程，以運動子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序(G代碼等，支持用戶擴展)。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運動控制卡。它能產生高頻脈沖驅動步進電機和伺服電機，控制2個軸的電機運動，實現(xiàn)直線和圓弧插補。在數(shù)控加工中，提供位置反饋。當今的工業(yè)控制技術中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，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機上最先進、最通用的一種總線。
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