專利名稱：高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用正弦波直線電機(jī)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用直線伺服電機(jī)的控制裝置，具體地說 是一種帶有自適應(yīng)模糊控制算法的直線伺服電機(jī)的矢量控制裝置。
背景技術(shù)：
目前，由于數(shù)控加工領(lǐng)域在速度、加速度、精度以及工作行程方面的需求越來越 高，新型數(shù)控機(jī)床逐漸趨向于采用直線電機(jī)作為進(jìn)給驅(qū)動電機(jī)以替代傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電 機(jī)+滾珠絲杠”的進(jìn)給方式。但是，由于直線電機(jī)直接與加工刀具連接，外部負(fù)載的擾動、摩 擦力會直接傳給直線電機(jī)，再考慮到直線電機(jī)在工作時各種參數(shù)的變化以及控制系統(tǒng)的不 確定因素的影響，這就對直線電機(jī)的控制提出了更高的要求。由于正弦波直線永磁電機(jī)具有高功率密度以及快速、精確的高控制性能，使其成 為進(jìn)給驅(qū)動用直線電機(jī)的首選。對于這種電機(jī)控制方法的研究一直以來是一個熱點，例如 采用魯棒控制技術(shù)來克服控制系統(tǒng)的各種擾動，但這種方法是基于精確模型參數(shù)的控制方 法，而直線電機(jī)的模型具有諸多不確定性而且有些參數(shù)難以測量。有人考慮采用傳統(tǒng)的自 適應(yīng)控制方法，包括模型參考自適應(yīng)控制、自調(diào)節(jié)控制以及滑模變結(jié)構(gòu)控制等，這類控制方 法的優(yōu)點是可以擺脫對電機(jī)精確參數(shù)的依賴。智能控制技術(shù)如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等 近年來已經(jīng)被研究者應(yīng)用于伺服驅(qū)動控制中，并取得了理想的運動控制性能。但是目前還 沒有將自適應(yīng)控制、模糊控制已及交流電機(jī)的矢量控制結(jié)合在一起的技術(shù)用于電機(jī)控制 中。發(fā)明內(nèi)容為了克服直接進(jìn)給驅(qū)動控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的在外部干擾影響下系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制精 度差和動態(tài)響應(yīng)能力低等問題。本實用新型的目的是提供一種基于自適應(yīng)模糊算法的正弦 波直線伺服電機(jī)的控制裝置，該控制裝置將自適應(yīng)控制、模糊控制已及交流電機(jī)的矢量控 制結(jié)合在一起，可有效地克服各種擾動和不確定性對控制系統(tǒng)的影響，提高了直線伺服電 機(jī)的穩(wěn)定性、精確度和動態(tài)響應(yīng)能力。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用正弦波直線電機(jī)的控制裝置，其特征在于該控 制裝置包括運動軌跡跟蹤模塊、位置控制環(huán)、速度控制環(huán)、電流控制環(huán)和反饋信號檢測模 塊；運動軌跡跟蹤模塊將產(chǎn)生的位移參考指令與采集的實時位移信號進(jìn)行比較，并將 產(chǎn)生的位移誤差E和誤差變化率dE傳送給位置控制環(huán)；位置控制環(huán)采用自適應(yīng)模糊控制算法，先將兩個輸入量模糊化，根據(jù)已制定的模 糊規(guī)則并利用乘積推理機(jī)進(jìn)行模糊推理，解模糊后即可得到模糊控制器的輸出；同時，位移 參考指令還經(jīng)過一個二階參考模型和采集的實時位移信號比較，產(chǎn)生的位移誤差用來校正 模糊控制器中的解模糊參數(shù)，以消除控制對象的動態(tài)不確定性和負(fù)載變化；模糊控制器的3輸出速度量與測量的速度信號進(jìn)行比較并傳輸給速度控制環(huán)；速度控制環(huán)采用簡單的P調(diào)節(jié)器，其輸出量為電機(jī)電流的q軸分量，該分量作為參 考量與采集變換來的繞組電流的q軸分量進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號與d軸分量的誤差信 號一起傳輸給電流控制環(huán)；電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，d、q兩個電流分量分別 經(jīng)過PI控制器后輸出為兩個軸的電壓分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換后輸出基于定子坐標(biāo)系的三相 電壓，最后經(jīng)空間矢量PWM模塊生產(chǎn)6路PWM輸出，控制逆變器輸出電流的大小，從而控制 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；反饋信號檢測模塊將電流互感器測定的相電流信號和直線光電編碼器測得的直 線電機(jī)的位移信號傳輸給電流控制環(huán)，對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。本實用新型中，運動軌跡跟蹤模塊中采用點對點(PTP)位置控制裝置。位置控制 環(huán)中模糊控制器采用了單值模糊器、乘積推理方法和中心平均解模糊方法；參考模型采用 二階系統(tǒng)，校正機(jī)制采用梯度下降法。本實用新型是自適應(yīng)控制、模糊控制已及交流電機(jī)的矢量控制的有機(jī)結(jié)合。本實 用新型的有益效果如下1、本實用新型中電流控制環(huán)采用的電壓空間矢量PWM方法可以有效降低功率開 關(guān)器件的開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。2、本實用新型中位置控制環(huán)采用的自適應(yīng)模糊控制方法可以有效地抑制各種擾 動和不確定性對控制系統(tǒng)的影響，提高了伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。3、本實用新型中采用正弦波直線電機(jī)直接進(jìn)給驅(qū)動方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電 機(jī)+滾珠絲杠”的進(jìn)給方式，可以大大提高伺服系統(tǒng)的速度、加速度、動態(tài)響應(yīng)能力和精確度。本實用新型將自適應(yīng)控制、模糊控制已及交流電機(jī)的矢量控制結(jié)合在一起，可有 效地克服各種擾動和不確定性對控制系統(tǒng)的影響，提高了直線伺服電機(jī)的穩(wěn)定性、精確度 和動態(tài)響應(yīng)能力。特別適用于進(jìn)給驅(qū)動裝置采用直線電機(jī)的高速數(shù)控機(jī)床的高精度伺服系 統(tǒng)中。
圖1為本實用新型的控制框圖。
具體實施方式
一種本實用新型所述的高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用正弦波直線電機(jī)的控制裝置， 如圖1所示，該裝置包括運動軌跡跟蹤模塊、位置控制環(huán)、速度控制環(huán)、電流控制環(huán)和反饋 信號檢測模塊；運動軌跡跟蹤模塊將產(chǎn)生的位移參考指令與采集的實時位移信號進(jìn)行比 較，并將產(chǎn)生的位移誤差E和誤差變化率dE傳送給位置控制環(huán)；位置控制環(huán)采用了自適應(yīng)模糊控制算法，先將兩個輸入量模糊化，根據(jù)已制定的 模糊規(guī)則并利用乘積推理機(jī)進(jìn)行模糊推理，解模糊后即可得到模糊控制器的輸出；同時，位 移參考指令還經(jīng)過一個二階參考模型和采集的實時位移信號比較，產(chǎn)生的位移誤差用來校 正模糊控制器中的解模糊參數(shù)，以消除控制對象的動態(tài)不確定性和負(fù)載變化；模糊控制器的輸出速度量與測量的速度信號進(jìn)行比較并傳輸給速度控制環(huán)；速度控制環(huán)采用簡單的P調(diào)節(jié)器，其輸出量為電機(jī)電流的q軸分量，該分量作為參 考量與采集變換來的繞組電流的q軸分量進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號與d軸分量的誤差信 號一起傳輸給電流控制環(huán)；電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，d、q兩個電流分量分別 經(jīng)過PI控制器后輸出為兩個軸的電壓分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換后輸出基于定子坐標(biāo)系的三相 電壓，最后經(jīng)空間矢量PWM模塊生產(chǎn)6路PWM輸出，控制逆變器輸出電流的大小，從而控制 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；反饋信號檢測模塊將電流互感器測定的相電流信號和直線光電編碼器測得的直 線電機(jī)的位移信號傳輸給電流控制環(huán)，對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。本實用新型將自適應(yīng)控制、模糊控制已及交流電機(jī)的矢量控制結(jié)合在一起，可有 效地克服各種擾動和不確定性對控制系統(tǒng)的影響，提高了直線伺服電機(jī)的穩(wěn)定性、精確度 和動態(tài)響應(yīng)能力。
權(quán)利要求1.一種高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用正弦波直線電機(jī)的控制裝置，其特征在于該控制 裝置包括運動軌跡跟蹤模塊、位置控制環(huán)、速度控制環(huán)、電流控制環(huán)和反饋信號檢測模塊；運動軌跡跟蹤模塊將產(chǎn)生的位移參考指令與采集的實時位移信號進(jìn)行比較，并將產(chǎn)生 的位移誤差E和誤差變化率dE傳送給位置控制環(huán)；位置控制環(huán)采用自適應(yīng)模糊控制算法，先將兩個輸入量模糊化，根據(jù)已制定的模糊規(guī) 則并利用乘積推理機(jī)進(jìn)行模糊推理，解模糊后即可得到模糊控制器的輸出；同時，位移參考 指令還經(jīng)過一個二階參考模型和采集的實時位移信號比較，產(chǎn)生的位移誤差用來校正模糊 控制器中的解模糊參數(shù)，以消除控制對象的動態(tài)不確定性和負(fù)載變化；模糊控制器的輸出 速度量與測量的速度信號進(jìn)行比較并傳輸給速度控制環(huán)；速度控制環(huán)采用簡單的P調(diào)節(jié)器，其輸出量為電機(jī)電流的q軸分量，該分量作為參考量 與采集變換來的繞組電流的q軸分量進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號與d軸分量的誤差信號一 起傳輸給電流控制環(huán)；電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，d、q兩個電流分量分別經(jīng)過 PI控制器后輸出為兩個軸的電壓分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換后輸出基于定子坐標(biāo)系的三相電壓， 最后經(jīng)空間矢量PWM模塊生產(chǎn)6路PWM輸出，控制逆變器輸出電流的大小，從而控制電機(jī)的 輸出轉(zhuǎn)矩；反饋信號檢測模塊將電流互感器測定的相電流信號和直線光電編碼器測得的直線電 機(jī)的位移信號傳輸給電流控制環(huán)，對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用正弦波直線電機(jī)的控制裝置，其 特征在于運動軌跡跟蹤模塊中采用點對點位置控制裝置。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用正弦波直線電機(jī)的控制裝置，具體步驟為運動軌跡跟蹤模塊將產(chǎn)生的位移誤差E和誤差變化率dE傳送給位置控制環(huán)；位置控制環(huán)采用了自適應(yīng)模糊控制算法，模糊控制器的輸出速度量與測量的速度信號進(jìn)行比較并傳輸給速度控制環(huán)；速度控制環(huán)將產(chǎn)生的誤差信號與d軸分量的誤差信號一起傳輸給電流控制環(huán)；電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，控制逆變器輸出電流的大小，從而控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；反饋信號檢測模塊將反饋信號輸給電流控制環(huán)，對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。本實用新型將自適應(yīng)控制、模糊控制以及矢量控制結(jié)合在一起，提高了直線伺服電機(jī)的穩(wěn)定性、精確度和動態(tài)響應(yīng)能力。
文檔編號H02P21/00GK201830196SQ20102055736
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者余海濤, 馮四平, 周士貴, 姜崇學(xué), 孫國平, 朱斌 申請人:江蘇中容電氣有限公司