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直线进给伺服驱动技术及其控制模式

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    从数控机床的诞生到现在,其进给驱动技术经历了由步进电机驱动的开环伺服驱动系统、闭环直流伺服系统、及目前广泛应用的交流伺服系统三个阶段。虽然进给驱动技术在不断发展变化,但其基本的传动形式始终是“旋转电动机+滚珠丝杠”模式,对于刀具和工作台等被控对象是直线形式的运动路径,只能借助于机械变换中间环节“间接”地获得**终的直线运动,由此带来一系列的问题:
    首先,中间变换环节导致传动系统的刚度降低,尤其细长的滚珠丝杠是刚度的薄弱环节,起动和制动初期的能量都消耗在克服中间环节的弹性变形上,而且弹性变形也是数控机床产生机械谐振的根源。
    其次,中间环节增大了运动的惯量,使系统的速度、位移响应变慢; 而制造精度的限制,不可避免地存在间隙死区与磨擦,使系统非线性因素增加,增大了进一步提高系统精度的难度。
    随着大功率电力半导体技术的发展和计算机技术的发展,控制器件和控制原则的不断更新和完善,特别是PWM调制技术的广泛应用,使得采用三环结构(位置环、速度环和电流环)的位置伺服系统的控制理论和技术日臻成熟,在实现快速、准确定位等方面已达到相当高的水准。但随着高速和超高速精密加工技术的迅速发展,要求数控机床有一个反应快速灵敏、高速轻便的进给驱动系统。而传统的驱动方式所能达到的****进给速度与超高速切削要求相差甚远。为适应现代加工技术发展的需要,采用直线伺服电动机直接驱动工作台来替代“旋转电动机+滚珠丝杠”模式,从而消除中间变换环节的直线进给伺服驱动新技术应运而生。
    一、直线进给伺服驱动技术及其应用现状
    直线进给伺服驱动是采用直线交流伺服电动机实现。直线交流伺服电动机可视为将旋转电动机定子沿径向剖开,并将圆周展开成直线作初级,用一导电金属平板代替转子作次级,就构成了直线电动机。在初级中嵌入三相绕组制成动子,与机床移动工作台相连,次级作为定子固定在机床导轨上,两者之间保持约1mm的气隙。目前已开始应用于数控机床上的直线电动机主要有感应式直线交流伺服电动机和永磁式直线交流伺服电动机。
1. 感应式直线交流伺服电动机
    感应式直线交流伺服电动机通常由SPWM变频供电,采用次级磁场定向的矢量变换控制技术,对其运动位置、速度、推力等参量进行快速而又准确的控制。由于感应式直线伺服电动机的初级铁心长度有限,纵向两端开断,在两个纵向边缘形成“端部效应”(end effect),使得三相绕组之间互感不相等,引起电动机的运行不对称。消除这种不对称的方法有三种:
同时使用三台相同的电动机,将其绕组交叉串联,这样可获得对称的三相电流; 
对于不能同时使用三台电动机的场合,可采用增加极数的办法来减小各相之间的差别; 
在铁心端部外面安装补偿线圈。
2. 永磁式直线伺服电动机
    永磁式直线伺服电动机的次级是采用高能永磁体,电动机采用矩形波或正弦波电流控制,由IGBT组成的电压源逆变器供电,PWM调制。当向动子绕组中通入三相对称正弦电流后,直线电动机产生沿直线方向平移并呈正弦分布的行波磁场,与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力,推动动子沿行波磁场运动的相反方向作直线运动。其控制系统的基本结构是PID组成的速度—电流双闭环控制,直接受控的是电流,通常采用id=0的控制策略,使电磁推力与id具有线性关系。
二、直线进给伺服驱动技术****的优点
    直线进给伺服驱动技术****的优点是具有比旋转电动机大得多的加、减速度(可达10~30倍),能够在很高的进给速度下实现瞬时达到设定的高速状态和在高速下瞬时准确停止运动。加减速过程的缩短,可改善加工表面质量,提高刀具使用寿命和生产效率;减少了中间环节,使传动刚度提高,有效地提高了传动精度和可靠性,而且进给行程几乎不受限制。
三、直线进给伺服驱动的应用现状
    作为一种崭新的进给驱动技术,其优越的高速性能和极高的动态性能,使其在生产当中迅速得到广泛应用。在上个世纪90年代中期:
    首先由德国Ex—cell—o公司开发的XHC240型高速卧式加工中心,3个进给轴均首次采用感应式直线交流伺服电动机直接驱动; 
    接着美国Ingersoll铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM4800和HVM600,X、Y、Z轴均采用永磁式同步直线伺服电动机驱动;
    日本三井精机公司生产的高速工具磨床,上下快速移动的Z轴亦是采用直线伺服电动机驱动。特别是在1999年的巴黎国际EMO(Electromechanical optical)博览会上展出的高速加工中心,****速度达400m/min,成为新一代数控机床的代表性技术。
    我国台湾省上银科技公司也已将直线伺服电动机用于三坐标测量机上,实现三轴直接驱动。
    现在世界各国的著名机床制造商(如日本的Mazak公司和韩国的大宇公司)都纷纷推出直线伺服电机驱动的数控机床,而德国的DMG公司在2001年便已销售采用直线伺服电机驱动的数控机床约1000台,2002年达到近2000台。各种迹象表明,直线伺服电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。
    目前一种新型的多工序并联机构数控机床即所谓“六条腿机床”,又称作“六足虫”,以及目前正在开发研究中的“三条腿”虚拟轴机床,是直线伺服驱动系统潜在的应用领域。
四、直线进给伺服驱动系统的控制模式
    高速和超高速加工要求数控机床的伺服驱动装置具有极高的加、减速度性能,而且对伺服精度同样提出了相当高的要求。高速和高精度是矛盾的,往往难以同时得到满足,但在直线伺服驱动系统中必须同时得到满足,这就要求控制系统必须采取有效的控制策略抑制各种扰动。一个成功的控制策略总是基于对对象模型结构基本清楚的认识,从某一具体对象的特性出发,针对产生扰动的不同原因,采取相应的控制技术,实现有效控制。在满足主要要求的同时,兼顾伺服系统对指令的跟踪能力和抗干扰能力。在直线进给伺服控制系统中采用的控制策略主要包括:
1. 传统的控制模式
    在对象模型确定、不变化且为线性,操作条件、运动环境不变的情况下,采用传统控制模式是一种有效的控制方法。传统的控制模式包括PID反馈控制、解耦控制、Smith预估控制算法等。其中PID控制算法是交流伺服电动机驱动系统中**基本的控制形式,控制应用广泛。Smith预估计器与控制器并联,对解决伺服系统中逆变器电力传输延迟和速度测量滞后所造成的速度反馈滞后影响十分有效,与其它控制算法结合,可形成更有效的控制策略。
2. 现代控制模式
    在高精度微进给的加工领域,必须考虑对象的结构和参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变和干扰等时变和不确定因素,才能得到满意的控制结果。因此,将现代控制技术应用于直线伺服电动机的控制研究得到了控制专家的高度重视。
(1) 自适应控制
    自适应控制大体可分为模型参考自适应控制和自校正控制两种类型。模型参考自适应控制是在控制器─控制对象组成的基本回路外,还建立一个由参考模型和自适应机构组成的附加调节电路。自适应机构的输出可以改变控制器的参数,或对控制对象产生附加的控制作用,使伺服电动机的输出和参考模型的输出保持一致。自校正控制的控制回路,由辨识器和控制器设计机构组成,辨识器根据对象的输入和输出信号,在线估计对象的参数,并以此估算作为对象的真值送入控制器的设计机构,按设计好的控制规律进行计算,计算结果送人可调控制器,形成新的控制输出,以补偿对象的特性变化。对于直线伺服电动机特性参数变化缓慢的一类扰动及其它外界干扰对系统伺服性能的影响,可以采用自适应控制策略加以降低或消除。
(2) 滑模变结构控制
    滑模变结构控制系统是一类特殊的非线性系统,其非线性表现为控制的不连续,即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。利用不连续的控制规律不断地变换系统的结构,迫使系统的状态在预定的空间轨线上运行。**后渐进稳定于平衡点或平衡点允许的领域内,即滑动模态运动。该控制方法的****优点是系统一旦进入滑模状态,便对控制对象参数及扰动变化不敏感,无需在线辨识与设计,具有完全的自适应性和鲁棒性,因而在直线伺服系统中得到了成功的应用。
(3) 鲁棒控制
    针对伺服系统中控制对象模型存在的不确定性(包括模型不确定性、降阶近似、非线性的线性化、参数与特性的时变、漂移、外界扰动等),设法保持系统的稳定鲁棒性和品质鲁棒性。H∞控制是其中较为成熟的方法,该方法是从系统的传递函数矩阵出发设计系统,使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的H∞范数取极小或小于某一给定值,并据此来设计控制器,对抑制扰动具有良好的效果。
(4) 预见控制
    预见控制不但根据当前目标值,而且根据未来目标值及未来干扰来决定当前的控制方案,使目标值与受控量间偏差整体**小。这是属于全过程控制期间某一评价函数取**小值的**优控制理论框架。预见控制伺服系统是在普通伺服系统的基础上附加了使用未来信息的前馈补偿后构成,它能极大地减小目标值与被控制量的相位延迟,从而使预见成为伺服系统真正实用的控制方法。
3. 智能控制模式
    对控制对象环境与任务复杂的伺服系统宜采用智能控制方法。模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是当前比较典型的智能控制策略。其中模糊控制器,已有商品化的专用芯片,因其实时性好、控制精度高,在伺服系统中已得到应用。神经网络从理论上讲具有很强的信息综合能力,在计算速度能够保证的情况下,可以解决任意复杂的控制问题。但目前缺乏相应的神经网络计算机的硬件支持,在直线伺服中的应用有待于神经网络集成电路芯片生产的成熟;而专家控制一般用于复杂的过程控制中,在伺服系统中的研究较少。
五、结束语
    数控机床采用直线伺服电动机直接驱动进给系统,虽然省去中间变换环节,实现所谓零传动,系统结构具有更加的合理性,但是作为一种新的应用技术还面临许多现实的技术难题。诸如控制系统对参数摄动、负载扰动等许多不确定因素的抗干扰问题、直线伺服电动机的强制散热问题、系统快速吸能制动问题及严格防尘隔磁措施等,所有这些实际问题有待于进一步解决和技术的进一步完善。
    此外,尽管直线伺服驱动技术在数控机床中的应用和发展速度非常快,但这并不意味着它能很快完全取代旋转伺服电动机的驱动方式。在目前及今后相当长的一段时期内,主流的应用还是旋转电动机与滚珠丝杠相结合的驱动方式。但是直线伺服驱动技术作为数控机床伺服驱动技术的主流发展方向及广阔的应用前景是勿容置疑的。

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