数控机床直线电机驱动运动控制算法仿真分析研究
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摘要
随着数控机床加工技术要求不断地实现高速和超高速化、精密和超精度化,具有快速反应能力的直线伺服进给系统即“零传动“方式便应运而生,直线驱动技术在精密定位领域中也得到了广泛的应用。直线电机伺服系统相比传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给方式相比,虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响,但却增加了控制的难度。在要求高精度微进给时,将会有更多的摄动与扰动等不确定因素对进给运动造成直接影响。这也是实现零传动控制必然的后果。为此我们需要寻求有效的控制策略,来实现高精度高速度的加工要求。
本文在前人经验和研究基础上,分析了直线电机的具体特性和矢量控制原理的具体实现方式,并在此基础上构建了基于MATLAB/Simulink下的永磁同步直线电机的矢量控制模型,为实施不同的控制策略实现对其控制提供了具体模型,也为后人的进一步研究提供了参考。同时分析了传统的PID控制策略,虽然此算法简单、鲁棒性好且可靠性高,但由于直线交流伺服电动机的非线性、强耦合、大时变以及不确定性负载扰动等因素,使得采用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。本文针对这一特点,设计了基于模糊控制理论的模糊参数自调整控制器,并利用了遗传算法对比例系数进行优化。最后在Matlab/Simulink下建立了具体仿真模型,通过预设定参数对其仿真,仿真结果表明控制效果良好。
With the increasing demands on the CNC machining technology for high speed, ultra-high speed, precision and ultra precision, zero transmission, the linear servo feeding system with highly responsive capability has come into being, and linear drive technology has found wide application in the field of precision positioning. Compared with the traditional feeding of "rotary motor plus ball screw", the linear motor servo feeding system is more difficult to control, while eliminating some adverse effects caused by the mechanical transmission chain. High-precision micro-feed might cause more uncertainty like perturbation and disturbance directly affecting the feeding motion, which is also an inevitable result of zero transmission control. Therefore, we need to find an effective control strategy to meet the demands for high precision and high speed in processing.
This thesis analyzes the specific characteristics of linear motors and the actual implementation of vector control principle on the basis of previous experience and research. A vector control model of permanent magnet linear synchronous motor is constructed based on MATLAB/ Simulink, and a concrete model is provided here for the implementation of different controlling strategies as well as a reference for further research in the future. In the meantime, the traditional PID control strategy is analyzed here, because, despite its simplicity of algorithm, high robustness and reliability, the conventional PID controller can hardly achieve the desired control effects due to such factors as nonlinearity, strong coupling, long-time variation and uncertain load disturbances of linear AC servo motors. Aiming at these features, a self-tuning fuzzy controller is designed based on fuzzy control theory and the quantitative factors are optimized with the genetic algorithm. Finally, a simulation model is established under Matlab/ Simulink. The research indicates good control effects through simulation by presetting the parameters.
本文在前人经验和研究基础上,分析了直线电机的具体特性和矢量控制原理的具体实现方式,并在此基础上构建了基于MATLAB/Simulink下的永磁同步直线电机的矢量控制模型,为实施不同的控制策略实现对其控制提供了具体模型,也为后人的进一步研究提供了参考。同时分析了传统的PID控制策略,虽然此算法简单、鲁棒性好且可靠性高,但由于直线交流伺服电动机的非线性、强耦合、大时变以及不确定性负载扰动等因素,使得采用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。本文针对这一特点,设计了基于模糊控制理论的模糊参数自调整控制器,并利用了遗传算法对比例系数进行优化。最后在Matlab/Simulink下建立了具体仿真模型,通过预设定参数对其仿真,仿真结果表明控制效果良好。
With the increasing demands on the CNC machining technology for high speed, ultra-high speed, precision and ultra precision, zero transmission, the linear servo feeding system with highly responsive capability has come into being, and linear drive technology has found wide application in the field of precision positioning. Compared with the traditional feeding of "rotary motor plus ball screw", the linear motor servo feeding system is more difficult to control, while eliminating some adverse effects caused by the mechanical transmission chain. High-precision micro-feed might cause more uncertainty like perturbation and disturbance directly affecting the feeding motion, which is also an inevitable result of zero transmission control. Therefore, we need to find an effective control strategy to meet the demands for high precision and high speed in processing.
This thesis analyzes the specific characteristics of linear motors and the actual implementation of vector control principle on the basis of previous experience and research. A vector control model of permanent magnet linear synchronous motor is constructed based on MATLAB/ Simulink, and a concrete model is provided here for the implementation of different controlling strategies as well as a reference for further research in the future. In the meantime, the traditional PID control strategy is analyzed here, because, despite its simplicity of algorithm, high robustness and reliability, the conventional PID controller can hardly achieve the desired control effects due to such factors as nonlinearity, strong coupling, long-time variation and uncertain load disturbances of linear AC servo motors. Aiming at these features, a self-tuning fuzzy controller is designed based on fuzzy control theory and the quantitative factors are optimized with the genetic algorithm. Finally, a simulation model is established under Matlab/ Simulink. The research indicates good control effects through simulation by presetting the parameters.
引文
[01]赵玉刚.宋现春.数字控制技术[M].北京:机械工业出版社.2003
[02]张伯霖.谢影明.超高速切削的原理与应用[J]。中国机械工程.1995,6(l):14一17.
[03]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 1997.
[04]徐月同.高速精密永磁直线同步电机进给系统及控制技术研究[D].杭州:浙江大学,2004.
[05]叶云岳.直线电机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2000.
[06]李庆雷.长行程永磁直线电机伺服单元的研究[D].北京:清华大学,2000.
[07]许大中.交流电机调速理论[M].杭州:浙江大学出版社, 1991.
[08]胡崇一岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社,1998.
[09]赵丽君,崔皆凡,王成元.永磁直线同步电动机直接推力控制系统研究[J].沈阳工业大学学报,2005,27(3):284一287.
[10]刘立峰.基于DSP的直线电机直接推力控制的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2005.
[11]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社, 1998.
[12]李宁,刘启新.电机自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.
[13]李华德.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社,2003.
[14]王树.变频调速系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[15]李志民,张遇杰.同步电动机调速系统[M].北京:机械工业出版社,2003.
[16]叶云岳.直线电机原理与应用.北京:机械工业出版社,2000:1~49,127~129.
[17]陈伯时,陆敏逊.交流调速系统(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2005.
[18]袁世鹰,卢宏亮.永磁同步直线电动机驱动控制策略.矿山机械,2007,35(2):100~103.
[19]叶云岳,陆凯元.直线电机的PID控制与模糊控制[J].电工技术学报,2001(6):11~15.
[20]李士勇,夏承光等.模糊控制和智能控制理论与应用[J].哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社,1990.
[20]叶云岳.国内外直线电机技术的发展与应用综述[J].电器工业.中小电机专辑2003(1):12~16.
[21]张春良,陈子辰等.直线电机驱动技术的研究现状与发展[J].农业机械学报.2002.9.
[22]林海,李宏,林洋,李伟.永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究[J].微电机2006,36(8):43~45.
[23]朱晓东,曾庆山,王茜,焦留成.永磁直线同步电机矢量控制模型及仿真的研究[J].矿山机械,2006,27(3):417~419.
[24]翟小飞,张俊洪,赵镜红.永磁同步直线电机位置伺服系统矢量控制[J].微电机,2007,40(5):73~75.
[25]陈坚.交流电机数学模型及调速系统[M].国防工业出版社,1989:56-85
[26]田亚菲,何继爱,黄智武.电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法仿真实现及分析[J].电力系统及其自动化学报.2004,16(4):68-71
[27]邹积浩.永磁直线同步电机控制策略的研究[D].博士论文.浙江大学.2005:22-34
[28]刘国华,包宏,李文超.用MATLAB实现遗传算法程序[J].计算机应用与研究.2001:80-82
[29]刘金现.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003:67-80
[30]王爱祥,刘日宝.基于Matlab/Simulink的交流伺服系统的仿真[J].电子工程师,2006,32(2);60-63
[31]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京,机械工业出版社:2005
[32]孙巨禄,苏鹏声,李永东.自调整模糊控制器在异步电机矢量控制系统中的应用[J].清华大学学报(自然科学版).2002, 42(9):1151-1153.
[33]苏志远.面向高速度高加速度运动伺服系统的自寻优模糊控制研究[D].合肥工业大学.2007:3-8.
[34]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998
[35]刘金凌,王先逵.直线电机伺服控制系统的模糊推理自校正PID控制[J].清华大学学报(自然科学版) , 1998, 38(2):44-46
[36]洪涛.永磁同步电机伺服系统设计及算法研究[D].厦门大学.2008
[37]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.电子工业出版社
[38]陆华才.无位置传感器永磁直线同步电机进给系统初始位置估计及控制[D].浙江大学机械与能源工程学院.2008
[39]孙宗宇.永磁同步直线电机的矢量控制[D].兰州理工大学.2009
[40]冯辉宗岑明张开碧彭向华.控制系统仿真[M].北京:人民邮电出版社.2009
[41]黄立培.电动机控制[M].北京:清华大学出版社,2003.
[02]张伯霖.谢影明.超高速切削的原理与应用[J]。中国机械工程.1995,6(l):14一17.
[03]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 1997.
[04]徐月同.高速精密永磁直线同步电机进给系统及控制技术研究[D].杭州:浙江大学,2004.
[05]叶云岳.直线电机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2000.
[06]李庆雷.长行程永磁直线电机伺服单元的研究[D].北京:清华大学,2000.
[07]许大中.交流电机调速理论[M].杭州:浙江大学出版社, 1991.
[08]胡崇一岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社,1998.
[09]赵丽君,崔皆凡,王成元.永磁直线同步电动机直接推力控制系统研究[J].沈阳工业大学学报,2005,27(3):284一287.
[10]刘立峰.基于DSP的直线电机直接推力控制的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2005.
[11]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社, 1998.
[12]李宁,刘启新.电机自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.
[13]李华德.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社,2003.
[14]王树.变频调速系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
[15]李志民,张遇杰.同步电动机调速系统[M].北京:机械工业出版社,2003.
[16]叶云岳.直线电机原理与应用.北京:机械工业出版社,2000:1~49,127~129.
[17]陈伯时,陆敏逊.交流调速系统(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2005.
[18]袁世鹰,卢宏亮.永磁同步直线电动机驱动控制策略.矿山机械,2007,35(2):100~103.
[19]叶云岳,陆凯元.直线电机的PID控制与模糊控制[J].电工技术学报,2001(6):11~15.
[20]李士勇,夏承光等.模糊控制和智能控制理论与应用[J].哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社,1990.
[20]叶云岳.国内外直线电机技术的发展与应用综述[J].电器工业.中小电机专辑2003(1):12~16.
[21]张春良,陈子辰等.直线电机驱动技术的研究现状与发展[J].农业机械学报.2002.9.
[22]林海,李宏,林洋,李伟.永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究[J].微电机2006,36(8):43~45.
[23]朱晓东,曾庆山,王茜,焦留成.永磁直线同步电机矢量控制模型及仿真的研究[J].矿山机械,2006,27(3):417~419.
[24]翟小飞,张俊洪,赵镜红.永磁同步直线电机位置伺服系统矢量控制[J].微电机,2007,40(5):73~75.
[25]陈坚.交流电机数学模型及调速系统[M].国防工业出版社,1989:56-85
[26]田亚菲,何继爱,黄智武.电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法仿真实现及分析[J].电力系统及其自动化学报.2004,16(4):68-71
[27]邹积浩.永磁直线同步电机控制策略的研究[D].博士论文.浙江大学.2005:22-34
[28]刘国华,包宏,李文超.用MATLAB实现遗传算法程序[J].计算机应用与研究.2001:80-82
[29]刘金现.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003:67-80
[30]王爱祥,刘日宝.基于Matlab/Simulink的交流伺服系统的仿真[J].电子工程师,2006,32(2);60-63
[31]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京,机械工业出版社:2005
[32]孙巨禄,苏鹏声,李永东.自调整模糊控制器在异步电机矢量控制系统中的应用[J].清华大学学报(自然科学版).2002, 42(9):1151-1153.
[33]苏志远.面向高速度高加速度运动伺服系统的自寻优模糊控制研究[D].合肥工业大学.2007:3-8.
[34]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998
[35]刘金凌,王先逵.直线电机伺服控制系统的模糊推理自校正PID控制[J].清华大学学报(自然科学版) , 1998, 38(2):44-46
[36]洪涛.永磁同步电机伺服系统设计及算法研究[D].厦门大学.2008
[37]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.电子工业出版社
[38]陆华才.无位置传感器永磁直线同步电机进给系统初始位置估计及控制[D].浙江大学机械与能源工程学院.2008
[39]孙宗宇.永磁同步直线电机的矢量控制[D].兰州理工大学.2009
[40]冯辉宗岑明张开碧彭向华.控制系统仿真[M].北京:人民邮电出版社.2009
[41]黄立培.电动机控制[M].北京:清华大学出版社,2003.