直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)及其控制模式

　　從數(shù)控機床的誕生到現(xiàn)在，其進給驅(qū)動技術(shù)經(jīng)歷了由步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)、及目前廣泛應用的交流伺服系統(tǒng)三個階段。雖然進給驅(qū)動技術(shù)在不斷發(fā)展變化，但其基本的傳動形式始終是“旋轉(zhuǎn)電動機+滾珠絲杠”模式，對于刀具和工作臺等被控對象是直線形式的運動路徑，只能借助于機械變換中間環(huán)節(jié)“間接”地獲得最終的直線運動，由此帶來一系列的問題：

　　首先，中間變換環(huán)節(jié)導致傳動系統(tǒng)的剛度降低，尤其細長的滾珠絲杠是剛度的薄弱環(huán)節(jié)，起動和制動初期的能量都消耗在克服中間環(huán)節(jié)的彈性變形上，而且彈性變形也是數(shù)控機床產(chǎn)生機械諧振的根源。

　　其次，中間環(huán)節(jié)增大了運動的慣量，使系統(tǒng)的速度、位移響應變慢;而制造精度的限制，不可避免地存在間隙死區(qū)與磨擦，使系統(tǒng)非線性因素增加，增大了進一步提高系統(tǒng)精度的難度。

　　隨著大功率電力半導體技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的發(fā)展，控制器件和控制原則的不斷更新和完善，特別是pwm調(diào)制技術(shù)的廣泛應用，使得采用三環(huán)結(jié)構(gòu)(位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán))的位置伺服系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)日臻成熟，在實現(xiàn)快速、準確定位等方面已達到相當高的水準。但隨著高速和超高速精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展，要求數(shù)控機床有一個反應快速靈敏、高速輕便的進給驅(qū)動系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的驅(qū)動方式所能達到的最高進給速度與超高速切削要求相差甚遠。為適應現(xiàn)代加工技術(shù)發(fā)展的需要，采用直線伺服電動機直接驅(qū)動工作臺來替代“旋轉(zhuǎn)電動機+滾珠絲杠”模式，從而消除中間變換環(huán)節(jié)的直線進給伺服驅(qū)動新技術(shù)應運而生。

　　直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)及其應用現(xiàn)狀

　　直線進給伺服驅(qū)動是采用直線交流伺服電動機實現(xiàn)。直線交流伺服電動機可視為將旋轉(zhuǎn)電動機定子沿徑向剖開，并將圓周展開成直線作初級，用一導電金屬平板代替轉(zhuǎn)子作次級，就構(gòu)成了直線電動機。在初級中嵌入三相繞組制成動子，與機床移動工作臺相連，次級作為定子固定在機床導軌上，兩者之間保持約1mm的氣隙。目前已開始應用于數(shù)控機床上的直線電動機主要有感應式直線交流伺服電動機和永磁式直線交流伺服電動機。

　　感應式直線交流伺服電動機

　　感應式直線交流伺服電動機通常由spwm變頻供電，采用次級磁場定向的矢量變換控制技術(shù)，對其運動位置、速度、推力等參量進行快速而又準確的控制。由于感應式直線伺服電動機的初級鐵心長度有限，縱向兩端開斷，在兩個縱向邊緣形成“端部效應”(end effect)，使得三相繞組之間互感不相等，引起電動機的運行不對稱。消除這種不對稱的方法有三種：

　　同時使用三臺相同的電動機，將其繞組交叉串聯(lián)，這樣可獲得對稱的三相電流;

　　對于不能同時使用三臺電動機的場合，可采用增加極數(shù)的辦法來減小各相之間的差別;

　　在鐵心端部外面安裝補償線圈。

　　永磁式直線伺服電動機

　　永磁式直線伺服電動機的次級是采用高能永磁體，電動機采用矩形波或正弦波電流控制，由igbt組成的電壓源逆變器供電，pwm調(diào)制。當向動子繞組中通入三相對稱正弦電流后，直線電動機產(chǎn)生沿直線方向平移并呈正弦分布的行波磁場，與永磁體的勵磁磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，推動動子沿行波磁場運動的相反方向作直線運動。其控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是pid組成的速度—電流雙閉環(huán)控制，直接受控的是電流，通常采用id=0的控制策略，使電磁推力與id具有線性關(guān)系。

　　直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)最大的優(yōu)點

　　直線進給伺服驅(qū)動技術(shù)最大的優(yōu)點是具有比旋轉(zhuǎn)電動機大得多的加、減速度(可達10～30倍)，能夠在很高的進給速度下實現(xiàn)瞬時達到設(shè)定的高速狀態(tài)和在高速下瞬時準確停止運動。加減速過程的縮短，可改善加工表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率;減少了中間環(huán)節(jié)，使傳動剛度提高，有效地提高了傳動精度和可靠性，而且進給行程幾乎不受限制。

　　直線進給伺服驅(qū)動的應用現(xiàn)狀

　　作為一種嶄新的進給驅(qū)動技術(shù)，其優(yōu)越的高速性能和極高的動態(tài)性能，使其在生產(chǎn)當中迅速得到廣泛應用。在上個世紀90年代中期：

　　首先由德國ex—cell—o公司開發(fā)的xhc240型高速臥式加工中心，3個進給軸均首次采用感應式直線交流伺服電動機直接驅(qū)動;

　　接著美國ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心hvm4800和hvm600，x、y、z軸均采用永磁式同步直線伺服電動機驅(qū)動;

　　日本三井精機公司生產(chǎn)的高速工具磨床，上下快速移動的z軸亦是采用直線伺服電動機驅(qū)動。特別是在1999年的巴黎國際emo(electromechanical optical)博覽會上展出的高速加工中心，最高速度達400m/min，成為新一代數(shù)控機床的代表性技術(shù)。

　　我國臺灣省上銀科技公司也已將直線伺服電動機用于三坐標測量機上，實現(xiàn)三軸直接驅(qū)動。

　　現(xiàn)在世界各國的著名機床制造商(如日本的mazak公司和韓國的大宇公司)都紛紛推出直線伺服電機驅(qū)動的數(shù)控機床，而德國的dmg公司在2001年便已銷售采用直線伺服電機驅(qū)動的數(shù)控機床約1000臺，2002年達到近2000臺。各種跡象表明，直線伺服電機驅(qū)動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。

　　目前一種新型的多工序并聯(lián)機構(gòu)數(shù)控機床即所謂“六條腿機床”，又稱作“六足蟲”，以及目前正在開發(fā)研究中的“三條腿”虛擬軸機床，是直線伺服驅(qū)動系統(tǒng)潛在的應用領(lǐng)域。

　　直線進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制模式

　　高速和超高速加工要求數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置具有極高的加、減速度性能，而且對伺服精度同樣提出了相當高的要求。高速和高精度是矛盾的，往往難以同時得到滿足，但在直線伺服驅(qū)動系統(tǒng)中必須同時得到滿足，這就要求控制系統(tǒng)必須采取有效的控制策略抑制各種擾動。一個成功的控制策略總是基于對對象模型結(jié)構(gòu)基本清楚的認識，從某一具體對象的特性出發(fā)，針對產(chǎn)生擾動的不同原因，采取相應的控制技術(shù)，實現(xiàn)有效控制。在滿足主要要求的同時，兼顧伺服系統(tǒng)對指令的跟蹤能力和抗干擾能力。在直線進給伺服控制系統(tǒng)中采用的控制策略主要包括：

　　傳統(tǒng)的控制模式

　　在對象模型確定、不變化且為線性，操作條件、運動環(huán)境不變的情況下，采用傳統(tǒng)控制模式是一種有效的控制方法。傳統(tǒng)的控制模式包括pid反饋控制、解耦控制、smith預估控制算法等。其中pid控制算法是交流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)中最基本的控制形式，控制應用廣泛。smith預估計器與控制器并聯(lián)，對解決伺服系統(tǒng)中逆變器電力傳輸延遲和速度測量滯后所造成的速度反饋滯后影響十分有效，與其它控制算法結(jié)合，可形成更有效的控制策略。

　　現(xiàn)代控制模式

　　在高精度微進給的加工領(lǐng)域，必須考慮對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化、各種非線性的影響、運行環(huán)境的改變和干擾等時變和不確定因素，才能得到滿意的控制結(jié)果。因此，將現(xiàn)代控制技術(shù)應用于直線伺服電動機的控制研究得到了控制專家的高度重視。

　　自適應控制

　　自適應控制大體可分為模型參考自適應控制和自校正控制兩種類型。模型參考自適應控制是在控制器─控制對象組成的基本回路外，還建立一個由參考模型和自適應機構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)電路。自適應機構(gòu)的輸出可以改變控制器的參數(shù)，或?qū)刂茖ο螽a(chǎn)生附加的控制作用，使伺服電動機的輸出和參考模型的輸出保持一致。自校正控制的控制回路，由辨識器和控制器設(shè)計機構(gòu)組成，辨識器根據(jù)對象的輸入和輸出信號，在線估計對象的參數(shù)，并以此估算作為對象的真值送入控制器的設(shè)計機構(gòu)，按設(shè)計好的控制規(guī)律進行計算，計算結(jié)果送人可調(diào)控制器，形成新的控制輸出，以補償對象的特性變化。對于直線伺服電動機特性參數(shù)變化緩慢的一類擾動及其它外界干擾對系統(tǒng)伺服性能的影響，可以采用自適應控制策略加以降低或消除。

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一類特殊的非線性系統(tǒng)，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時變化的開關(guān)特性。利用不連續(xù)的控制規(guī)律不斷地變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，迫使系統(tǒng)的狀態(tài)在預定的空間軌線上運行。最后漸進穩(wěn)定于平衡點或平衡點允許的領(lǐng)域內(nèi)，即滑動模態(tài)運動。該控制方法的最大優(yōu)點是系統(tǒng)一旦進入滑模狀態(tài)，便對控制對象參數(shù)及擾動變化不敏感，無需在線辨識與設(shè)計，具有完全的自適應性和魯棒性，因而在直線伺服系統(tǒng)中得到了成功的應用。

　　魯棒控制

　　針對伺服系統(tǒng)中控制對象模型存在的不確定性(包括模型不確定性、降階近似、非線性的線性化、參數(shù)與特性的時變、漂移、外界擾動等)，設(shè)法保持系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性。h∞控制是其中較為成熟的方法，該方法是從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)設(shè)計系統(tǒng)，使系統(tǒng)由擾動至偏差的傳遞函數(shù)矩陣的h∞范數(shù)取極小或小于某一給定值，并據(jù)此來設(shè)計控制器，對抑制擾動具有良好的效果。

　　預見控制

　　預見控制不但根據(jù)當前目標值，而且根據(jù)未來目標值及未來干擾來決定當前的控制方案，使目標值與受控量間偏差整體最小。這是屬于全過程控制期間某一評價函數(shù)取最小值的最優(yōu)控制理論框架。預見控制伺服系統(tǒng)是在普通伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上附加了使用未來信息的前饋補償后構(gòu)成，它能極大地減小目標值與被控制量的相位延遲，從而使預見成為伺服系統(tǒng)真正實用的控制方法。

　　智能控制模式

　　對控制對象環(huán)境與任務復雜的伺服系統(tǒng)宜采用智能控制方法。模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家控制是當前比較典型的智能控制策略。其中模糊控制器，已有商品化的專用芯片，因其實時性好、控制精度高，在伺服系統(tǒng)中已得到應用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從理論上講具有很強的信息綜合能力，在計算速度能夠保證的情況下，可以解決任意復雜的控制問題。但目前缺乏相應的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機的硬件支持，在直線伺服中的應用有待于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成電路芯片生產(chǎn)的成熟;而專家控制一般用于復雜的過程控制中，在伺服系統(tǒng)中的研究較少。

　　結(jié)束語

　　數(shù)控機床采用直線伺服電動機直接驅(qū)動進給系統(tǒng)，雖然省去中間變換環(huán)節(jié)，實現(xiàn)所謂零傳動，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更加的合理性，但是作為一種新的應用技術(shù)還面臨許多現(xiàn)實的技術(shù)難題。諸如控制系統(tǒng)對參數(shù)攝動、負載擾動等許多不確定因素的抗干擾問題、直線伺服電動機的強制散熱問題、系統(tǒng)快速吸能制動問題及嚴格防塵隔磁措施等，所有這些實際問題有待于進一步解決和技術(shù)的進一步完善。

　　此外，盡管直線伺服驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控機床中的應用和發(fā)展速度非常快，但這并不意味著它能很快完全取代旋轉(zhuǎn)伺服電動機的驅(qū)動方式。在目前及今后相當長的一段時期內(nèi)，主流的應用還是旋轉(zhuǎn)電動機與滾珠絲杠相結(jié)合的驅(qū)動方式。但是直線伺服驅(qū)動技術(shù)作為數(shù)控機床伺服驅(qū)動技術(shù)的主流發(fā)展方向及廣闊的應用前景是勿容置疑的。