专利名称：高精度数控机床进给驱动用正弦波直线电机的控制方法
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 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。
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。
具体实施例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；
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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
权利要求
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。
2.根据权利要求1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，其 特征在于运动轨迹跟踪模块中采用点对点位置控制方法。
3.根据权利要求1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，其 特征在于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。
全文摘要
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。
文档编号H02P21/14GK101977009SQ20101050484
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者余海涛, 冯四平, 周士贵, 姜崇学, 孙国平, 朱斌 申请人:江苏中容电气有限公司