永磁同步直线电机伺服控制系统扰动分析

永磁同步直线电机伺服控制系统扰动分析

李俊峰杨杰王洪森

（许昌烟草机械有限责任公司河南许昌461000）

摘要：近年来，随着直驱技术的发展，特别是直线电机及其伺服控制系统具有高效、高精以及高速等特点，直线电机越来越多的应用到数控机床领域，但由于直线电机的初级与工作台直接相连，中间没有任何传动机构，容易受到外部扰动以及电机参数摄动的影响。本文简要介绍了直线电机的基本结构及工作原理，分析了由于其结构的独特性而容易受到来自于内、外部力的扰动，并且概括了影响直线电机伺服控制系统性能的主要扰动因素和现在广泛运用的扰动信号抑制技术。

关键词：直线电机；扰动分析；信号抑制

直线电机及其伺服控制系统由于具有高速、高效、高精等特点而被应用于数控机床、机器人、无人机、医疗器械以及家电和军事等领域。我国在中低端数控机床的开发和生产方面也取得了显著的成绩，其静态性能可以和国外的同类优秀产品相媲美，甚至更好。但是在高端数控机床以及直驱技术在机床领域的应用上还有一定的差距，没有能形成与国外相竞争的产品，尤其是国产的数控机床在动态性能上还显不足，有很大的发展空间。由于直线电机伺服系统结构的特殊性，凸现出了许多优点，但同时因其没有任何中间传动机构，负载侧的任何扰动都会直接加载到直线电机的初级上，这导致其容易受到外部扰动以及电机本身参数摄动的影响。本文介绍了直线电机伺服控制系统基本结构和工作原理并对电机伺服控制系统扰动受力进行了分析。

1永磁同步直线电机的基本结构和工作原理

1.1永磁同步直线电机的基本结构

直线电机是旋转电机在结构上的一种演变，可以认为它是由一台旋转电机沿径向剖开，然后将旋转电机的圆周展开成直线而形成的，这便得到了最为原始的直线电机结构。由定子演变而来的称为初级，由转子演变而来的称为次级。

那么，永磁同步直线电机的励磁磁场就不再是由次级励磁绕组来产生，而是由安装在直线电机的全直线行程方向上的、交替安装N、S极的永磁体来替代次级励磁绕组，其中永磁体的N、S极分别用朝上、下的箭头表示。根据永磁体的安装位置的不同，可以把永磁同步直线电机分为表面磁极型和内部磁极型。

1.2永磁同步直线电机工作原理

直线电机是旋转电机在结构上的一种演变，其工作原理与旋转电机也具有相似性。当给直线电机初级的三相绕组通入三相正弦交流电时，在直线电机的气隙间就会产生气隙磁场，如果忽略直线电机的端部效应，那么气隙磁场便沿直线按A，B，C相序呈正弦形式移动，这就是所谓的行波磁场。与此同时，行波磁场与永磁体所产生的励磁磁场相互作用，就会产生电磁推力。由于直线电机的次级是固定不动的，那么在电磁推力的作用下直线电机的初级就会沿着行波磁场相反方向运动，

2永磁同步直线电机伺服控制系统扰动分析

在基于直线电机的伺服控制系统中，由于直线电机是直接驱动加工中心的工作台，中间没有缓冲机构，负载侧的任何扰动就会直接加载到直线电机的初级上，这样就会造成整个伺服系统的伺服性能下降，而这些扰动主要体现在:

1）负载力

由于直线电机伺服控制系统的结构特点，电机的初级和工作台作为一个整体，即所谓的“零传动”。工作台负荷的任何变化都直接反映到电机的初级上，包括加工的材料、切削用量的不同以及初级质量的变化，从而引起负载力的变化。

2）摩擦力

直线电机在启动、运行和制动的过程中，都存在相对运动或有相对运动趋势的现象，这种现象会产生阻碍初级相对运动的静摩擦力、滑动摩擦力及粘滞摩擦力，而且这些影响因素都是非线性、不连续并与诸多因素相关。特别对高精度位置伺服控制系统的性能影响很大。

3）推力波动

永磁同步直线电机的推力波动主要是由激励源、齿槽力和端部效应力引起的。在理想情况下，由逆变器输入到直线电机的电枢电流和电枢的反电动势都是三相对称的正弦波形，基本上无纹波扰动。但实际上仍然还有高次谐波，就三相桥式电压型逆变器而言，其输出电压中含有6K1次谐波，同时也由于永磁体的尺寸以及初级齿槽等导致初级绕组磁场分布的形状非正弦，这样就会产生推力纹波。齿槽力是由于直线电机永磁体产生的励磁磁场对开槽后铁心的齿槽两边作用力不一致而产生的，而端部效应力则是由于铁心的两个端部所受力不相等而造成的。

3扰动信号抑制技术

对于扰动信号的抑制，一般是从两个方面考虑:一方面是通过对直线电机的结构参数优化来降低扰动的影响；另一方面通过控制策略、算法，设置对应的控制算法来降低扰动信号对伺服控制系统性能的影响，比如设置扰动观测器与补偿器和智能控制器来尽可能的降低扰动信号的影响。

如果从第二个方面考虑，直线电机扰动信号的抑制又可分为基于扰动信号模型的抑制和非模型的扰动抑制，即将电机所受的各种外力都视为扰动信号，不建立具体的扰动信号模型而通过设计的扰动补偿器进行扰动抑制。基于扰动模型的扰动抑制是建立在扰动信号模型己知的基础上，通过设置结构和参数固定的扰动观测与补偿模型或者结构和参数可调的扰动观测与补偿模型，并且配合控制器来实现对扰动信号的抑制。近年来比较常用的方法为有限元数值分析法和基于伺服补偿器和滑膜变结构控制的步进电机控制方法等。

近年来，随着神经网络算法、遗传算法以及退火算法等的提出，这些算法相继被应用到电机控制中来，特别是在电机系统模型时变的情况下具有明显优势。直线电机伺服控制系统扰动信号具有非线性、强耦合、多变量和时变等特点，可以利用这些算法在线或者离线对扰动信号的数学模型的参数进行辨识，以获得准确的、实时的扰动信号模型，这对控制系统性能的提高起了关键性的作用。

4结束语

数控机床的制造技术始终围绕着高速、高精、高效、智能、环保、复合及可靠性这一总的趋势不断地发展。随着直线电机及其伺服控制系统性能不断提高、完善，技术日趋成熟，应用直线电机驱动技术的数控机床成本将会下降，性价比会更高，那么，随着应用的普及，直线电机及其伺服系统在机床领域的应用逐渐产业化。

参考文献

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