基于PMAC的直线电机速度加速度前馈控制

核心提示：　　由于传统的“旋转电动机+滚珠丝杠”伺服进给方式难以满足加工精度和速度要求，因而，直线电机的精密进给加工方式开始出现。虽然直线电机在机械结构方面得到大大简化，没有中间传动环节，伺服系统的刚性得到很大

　　由于传统的“旋转电动机+滚珠丝杠”伺服进给方式难以满足加工精度和速度要求，因而，直线电机的精密进给加工方式开始出现。虽然直线电机在机械结构方面得到大大简化，没有中间传动环节，伺服系统的刚性得到很大提高，由于中间传动环节所带来的误差也得到了较好的改善，但相对应也给电气控制带来了更高的要求。如何在传统控制方式基础上，充分利用计算机控制技术，实现对直线交流伺服系统的精密控制，就变得尤为重要和紧迫。基于上述分析，本文提出了基于PMAC的直线电机速度/加速度前馈控制。

　　2PMAC运动控制器将机床运动控制、逻辑控制功能由独立的运动控制器完成，运动控制器通常以PC硬件插件的形式构成系统。数控上层软件（数控程序编辑、人机界面等）以PC为平台，运行于Windows等主流操作系统上，这已成为开放式数控系统发展的主流结构模式。

　　推出的PMAC（ProgrammableMutli-axesCon-troller）开放式多轴运动控制器为代表，DELTATAU公司利用NGC，OMAC等协议，采用PC加PMAC控制器构成的PMAC开放式数控系统，获得了良好的应用前景。

　　PMAC运动控制器提供了运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控功能，它借助于Motorola的DSP 56001/56002数字信号处理芯片，可同时控制1~8个轴，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般控制器，其伺服控制包括PID加NOTCH和速度、加速度等前馈控制，它甚至可连接NACRO现场总线的高速环网，直接进行生产线的联动控制。

　　一般来说，伺服控制能力只能用每h完成的操作或生产的合格零件来衡量。当今，对产品质量的要求已超过对生产率的要求，所以在设计系统时，系统的每一部件都要最好，而对于PMAC运动控制器来说，无论在处理能力、轨迹特性和输入带宽特性方面，其性能都远远地优于传统的运动控制器。

　　此外，PMAC为用户提供了更大的柔性，它允许同一控制软件在3种不同总线（PC-XT和AT，VMESTD）上运行，由此提供了多平台的支持特性，并且每轴可以配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。其具体体现为以下几点。

　　伺服接口有模拟式和数字式两种，可以与不同伺服系统相连接。

　　可以与不同检测元件相连接：测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。

　　PLC和界面功能的实现：有着内装式软件基金项目：国家自然科学基金资助项目（59775064）化的PLC，并可按用户的需求订制。

　　PMAC可同PC机以串行、并行和双口RAM等方式进行通讯。

　　3基于PMAC的直线电机速度/加速度前馈控制直线电机的控制在高精度微进给的数控机床伺服驱动系统中，由于对直线交流伺服电动机控制要求比较高，因而必须考虑到一些更细微因素对系统性能的要求，诸如系统的非线性、耦合性及负载扰动、噪声检测等，特别是端部效应引起的推力变化等，都将使伺服系统性能变坏，难以满足高精度微进给的要求。因此，必须采取有效的控制策略抑制这些扰动，有效地实现精密和微量的进给，以期实现精密和超精密加工。

　　在直线交流伺服系统中，传统的控制策略如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。但在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑到对象结构与参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确定因素，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制策略在直线伺服电动机控制的研究中受到了很大的重视。而对控制对象、环境与任务复杂的系统最好采用智能控制方法。模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是当前3种比较典型的智能控制策略。

　　基于PMAC的控制算法在采取各种控制方法时，基于对对象模型结构的认识，必须从直线交流伺服电动机传动系统是一个具有高度快速性的动态系统这一具体对象的特性出发，不可能在非常短暂的动态调节过程中实现十分复杂的控制算法。同时，要针对产生扰动的不同原因的特殊性，以相应见长的控制策略对付之。伺服系统另一个重要性能就是其对指令的跟踪能力，在理想情况下，输出能无延迟、无超调地跟踪输入指令的变化。一个成功的控制策略，必须针对具体对象的特点，在满足主要要求的同时，兼顾跟踪能力和抗扰能力。

　　在这种情况下，并考虑到PMAC强大的伺服控制功能，在传统的PID控制算法的基础上，再加上速度和加速度的前馈，用速度前馈来减小微分增益或测速发电机环路阻尼所带来的跟随误差，用加速度前馈来补偿由于惯性所带来的跟随误差，同时，加上陷波滤波器来防止谐振，以抵消共振。正是基于上述的分析，提出了基于PMAC的直线电机速度/加速度前馈控制，其算法如所示。

　　第一位置反馈基于PMAC的直线电机速度/加速度前馈控制算法在上述的控制算法中，各参数所代表的变量分别如下：IM：积分模式（/*34）Kf速度前馈增益（/*32）加速度增益（/*35）n1：带阻滤波器系数（/*36）n2：带阻滤波器系数（/*37）；1：带通滤波器系数（/*38）；2：带通滤波器系数（/*39）。

　　控制算法的性能分析及参数调整在机态特性，需要对系统的控制环进行调整和校正。

　　在整个机电一体化系统中，控制环对系统的影响是巨大的，因而当系统的基本特性确定后，就需要对系统的控制环进行调节，即通过伺服滤波器的调节，根据被控物理系统的动力学性能对伺服环参数进行调整、设置使得伺服系统的刚性好，系统稳定及跟踪误差小。

　　在上述的PMAC控制器对直线电机的速度/加速度前馈控制环算法中，其中各个参数的调节电一体化系统中为了获得磨厉态特性和和校正对系统的影响是不容忽视的。下面。net分别叙述一下系统中各参数及其调节。作为P参数的I*30，是系统的比例增益，作为I参数的I*33，是算法中的积分增益；作为D参数的I*31，是算法中的微分增益；/*32是速度前馈，通过它可减少由于微分的引入所带来的跟随误差，具体调节时，对电流环，I*32应等于或略大于I*31，对速度环，I*32应远大于I*31；/*35是加速度前馈，由它减少由于系统惯性所带来的跟随误差，尤其是当反应滞后特别明显时，应增加I*35；*34为积分模式，通过它决定积分增益是全程有效还是在控制速度为0时有效。在调整中，当I*34为0时，积分增益全程有效，当I*加上适当速度前馈后的速度抛物线运动结语随着现代生产对小批量和个性化产品的需求，高速和超高速精密加工正变得越来越重要。作为一种新型的直线驱动技术直线交流伺服系统的精密控制正受到人们越来越多的关注和重视，基于PMAC对直线电机进行速度/加速度前馈控制，利用速度和加速度的前馈控制，从而很好地补偿了电机阻尼电路和惯性等所带来的跟随误差，使得系统的性能得到较大的提高，进一步提高34为1时，积分增益只在控制速度为0时才有效。当速度前馈I*32太大时，会带来太大的跟随误差。在实际调节中，应使其略大于或等于微分增益I*31.与此同时，适当地加入加速度前馈，将使电机的性能达到更好。在增加了适当的速度前馈和加速度前馈后的速度/跟随误差曲线图如，所示。从图中可以看出，由于引入合适的速度前馈和加速度前馈后，跟随误差和速度的相关性变弱，同时，跟随误差也得到大幅度的下降，从而使得整个系统的控制性能得到较大的提高。

　　加上适当加速度前馈后的速度抛物线运动图机电系统的控制精度。