數控機床大推力永磁同步直線電機控制方法傳統的傳動機構如齒輪、蝸輪、皮帶、絲杠、滾珠絲杠、聯軸器、離合器等中間傳動機構，容易產生很多如：較大的轉動慣量、彈性形變、反向間隙、摩擦、振動、磨損等問題，所以不僅減小了傳動效率，而且還增加了成本，降低了系統的可靠性。雖然這些傳動機構性能已經得到了改善，但是其間接傳動的本質不能從根本上解決。于是“直接驅動”概念應運而生，直接驅動是指不使用任何中間傳動機構，直接將動力源與負載相連進行驅動。這種傳動具有結構簡單、動態響應快、速度和加速度大、精度高、振動和噪聲小等優點。直線電機就是直接驅動的裝置，其中控制技術是直線電動機設計和應用的重點。PID調節是最早出現的一種自動控制方法，控制簡單而且效果顯著。尤其是在高精度運動控制中，運用多閉環控制已經越來越廣泛，伺服系統一般是三環系統，外環為位置環，內環依次為速度環、電流環。電機三環控制框圖如圖1所示。但是傳統的PID控制算法不能對摩擦力、負載擾動等外界干擾及時消除，對負載擾動、摩擦力敏感，極易產生較大的穩態誤差，降低了控制精度。基于以上問題，提出抗干擾較強的PID+前饋算法，并用實驗驗證這種控制方法可以提高控制精度。1直線電機運動控制原理直線電機進給機構采用閉環控制，使用Renishaw高精度直線光柵尺作為位置反饋元件，安裝于電機平臺底部，與平臺固定為一體，由于沒有與電機直接接觸，不會對直線電機運動產生磨擦力。光柵反饋信號首先進入放大器編碼器輸入端口，并由放大器的等量輸出端口反饋到卡，組成雙閉環反饋，根據光柵尺反饋的脈沖信號即可計算直線電機當前位置，由控制器的PID調節器根據目標位移與實際位移的差值自動調節電機的控制參數，完成所需的進給。閉環控制原理，如圖2所示。PMAC控制的直線電機伺服系統是一個高速動態系統，復雜的控制算法無法在如此短的時間內完成伺服計算，所應該采用計算量比較小的伺服算法。傳統的PID環節是偏差控制器，被控制量需要偏離設定值才能通過偏差進行控制，存在

一定的滯后性；由于系統受到擾動，再加上系統本身結構和參數的變化而產生的誤差，不能在閉環系統中消除，所以需要對系統進行補償，抵消擾動對系統的影響，即所謂的擾動補償。控制框圖如圖3所示。圖3為帶前饋的控制結構框圖，其中，R(s)為系統輸入；E(s)為系統誤差；C(s)為系統的輸出；G(s)為PID控制器傳遞函數；Gp(s)為被控對象的傳遞函數；F(s)為前饋環節的傳遞函數。得出帶前饋的系統誤差傳遞函數式⑴說明，當前饋函數滿足F(s)=Gp(s)-l時，誤差函數為0則C(s)=R(s)。說明無論輸入信號如何變化，系統的誤差始終為0。前饋補償比只按誤差控制的閉環系統效果好。通常前饋微分階次為2時即可獲得滿意的控制效果。PMAC在傳統PID控制算法的基礎上增加了速度和加速度的前饋控制，其中，速度前饋用于減小由于微分增益的引入所引起的跟隨誤差，加速度前饋用于減小系統慣性所帶來的跟隨誤差。PMAC嵌入的PID和前饋控制的控制算法如圖4所示。1 ；訓燉甘1 ；訓燉甘BLrX7M圖4中，Kp比例增益，為系統提供剛度；Kd微分增益，提供系統穩定需要的阻尼；Kvff速度前饋增益，減小因阻尼引起的跟隨誤差；Ki積分增益消除穩態誤差；Kaff加速度前饋增益減小系統慣性帶來的跟隨誤差。其控制算法的實際公式如下

其中，DACout(n)為16位的伺服周期輸出命令轉換成-10?+10V；1x08為電機x的一個內部位置放大系數；1x09為電機x速度環的一個內部放大系數；FE(n)是伺服周期n內所得的跟隨誤差，即為該周期內命令位置和實際位置的差值;AV(n)是伺服周期n內的實際速度，即為每個伺服周期最后兩個實際位置的差值；CV(n)是伺服周期n內的指令速度，即為每個伺服周期最后兩個指令位置的差值；CA(n)是伺服周期n內的指令加速度，即為每個伺服周期最后兩個指令速度的差值；IE(n)是伺服周期n的跟隨誤差的積分，大小為 。2實驗用直線電機簡介該電機應用于龍門五軸加工中心立柱上，最大推力12000N，低速可至1m?min-1，最高速度可達1m/s。具有大推力、速度范圍寬特點，是提供直線進給的優良系統，電機實物如圖5所示。直線電機底部為次級板，其結構呈U型，次級長1.32m,寬0.26m,高0.17m,材料由ZG35鑄造而成，表面鍍鋅，N級磁鋼和S級磁鋼交替貼在次級表面時，并且要使同一極板兩側極性相反，同一側的兩片相鄰磁鋼用分隔條隔開，用膠粘牢固后，灌環氧樹脂密封成整體。d娜d娜邯力1[1唸堿就直線電機的初級是由兩塊安裝板并聯在一