直线电机进给系统伺服参数与控制参数的设计
伺服参数设定
●伺服参数的初始设定1.按照下图设定“初始化设定位”。
#7 #6 #5 #4 #3 #2 #1 #0初始化设定位DGP#1：DGP 0：进行伺服参数的初始设定。
1：结束伺服参数的初始设定。
初始化设定完成后，第一位自动变为1。
这里，虽然发生000号报警，但是还不切断电源。
按下功能按键，找到伺服设定画面。
注意，请不要修改该参数的其他位参数。
2.按照下表设定“电机代码”。
读取伺服电机标签上的电机规格号（A06B-xxxx-Byyyy）的中间4位数字（xxxx）和电机型号名。
从下表中得到“电机代码”。
●αi s系列αis2/5000 0212 262αis2/6000 0234 284αis4/5000 0215 265αis8/6000 0240 240αi12/4000 0238 288αis22/4000 0265 315αis30/4000 0268 318αis40/4000 0272 322αis50/5000 0274 324 αis50/3000 FAN 0275-B□1□325αis100/2500 0285 335αis200/2500 0288 338αis300/2000 0292 342αis500/2000 0295 345 ●βi s系列βis 0.2/5000 0111 260βis 0.3/5000 0112 261βis 0.4/5000 0114 280βis 0.5/6000 0115 281βis 1/6000 0116 282βis 2/4000 0061 253βis 4/4000 0063 256βis 8/3000 0075 258βis 12/3000 0078 272βis 22/2000 0085 274所用伺服电机未列入此表中时，参见《伺服电机参数说明书》。
3.按照下表设定AMR 。
（电机的磁极对数设定） αis 电机 0 0 0 0 0 0 0 0 βis 电机4.利用CMR 使得CNC 的最小移动单位和伺服的检测单位相匹配。
直线电机在数控机床中的应用及其控制算法与常见问题
直线电机在高速数控机床中的应用摘要: 高速切削加工是伴随着生产发展和科技进步而出现的一项先进制造技术，快速进给系统是其重要组成部分。
本文介绍了直线电机在高速进给机构中的巨大优势及其应用历史与现状，讨论了直线电机进给机构的伺服控制技术以及其常见问题。
关键词：直线电机;控制算法;高速进给Abstract：High-speed machining, which appears with the development of industry and the improvement of technology, is an advanced manufacturing technology andhigh-speed feed system is one of the most important components of it. The article presents the past and present applications and the great advantages of linear motor, discusses the servo control technology and the common problems of the linear motor feeding device.Keywords: Linear motor; Control algorithm; High speed1引言随着国防、航天、汽车、微电子等高技术行业不断发展，对制造加工业提出了更高的要求，超高速加工和超精密加工成为未来机床业发展的两个主题。
传统的机床进给驱动系统是“旋转电机+滚珠丝杠”机构。
这种驱动系统涉及的中间部件多，运动惯量大，而且滚珠丝杠本身具有物理局限性，因此产生的线性速度、加速度及定位精度均有限，不能满足超高速、高精密加工的需要；于是直线电机受到人们关注，它直接产生直线运动，结构简洁，运动惯量小，系统刚度高，快速响应特性好，高速情况下能实现精密定位，产生推力大，尤其运动速度、加速度高于滚珠丝杠的若干倍，工作行程可以无限长，维护少、寿命长。
数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性分析与研究
数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性分析与研究1. 数控机床直线电机进给伺服系统概述随着科技的不断发展，数控机床在工业生产中扮演着越来越重要的角色。
为了提高数控机床的加工精度和效率，近年多的研究者开始关注直线电机进给伺服系统的研究与应用。
直线电机进给伺服系统是一种采用直线电机作为驱动源的高精度、高速度、高可靠性的伺服系统，广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等领域。
直线电机进给伺服系统具有很多优点，如结构简单、体积小、重量轻、响应速度快、转矩大等。
这些优点使得直线电机进给伺服系统在数控机床中的应用越来越广泛。
由于直线电机本身的特点以及伺服系统的复杂性，对其进行动态特性分析与研究具有很大的挑战性。
本文将对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行深入研究，以期为实际应用提供理论依据和技术支撑。
1.1 研究背景随着现代制造业的快速发展，数控机床在各个领域的应用越来越广泛。
数控机床的性能和精度对于提高产品质量、降低生产成本具有重要意义。
直线电机进给伺服系统作为数控机床的关键部件之一，其动态特性直接影响到数控机床的加工精度、速度和稳定性。
研究数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性，对于提高数控机床的整体性能具有重要的现实意义。
传统的数控机床进给伺服系统主要采用步进电机驱动，虽然在一定程度上满足了加工需求，但其动态特性较差，如速度响应慢、加速度范围窄、负载能力有限等。
这些问题限制了数控机床在高速、高精度加工方面的应用。
随着直线电机技术的不断发展，直线电机进给伺服系统逐渐成为数控机床领域的研究热点。
直线电机具有功率密度高、加速度响应快、速度快、转矩大等优点，可以有效提高数控机床的性能。
由于直线电机进给伺服系统涉及到多个学科领域，如电机学、控制理论、机械设计等，因此对其动态特性的研究具有较高的难度。
本论文旨在对数控机床直线电机进给伺服系统的动态特性进行分析与研究，以期为提高数控机床的性能和稳定性提供理论依据。
直线电机进给系统伺服参数与控制参数设计
直线电机进给系统伺服参数与控制参数设计2018年1月第46卷第1期机床与液压MACHINE TOOL ＆HYDRAULICSJan.2018Vol.46No.1DOI ：10.3969／j.issn.1001－3881.2018.01.020收稿日期：2016－08－28基金项目：国家自然科学基金资助项目（51305124）；河北省自然基金项目（E2016202297）；天津市自然科学基金资助项目（16JCYBJC19100）；江苏省2015年双创人才项目作者简介：杨伟东（1972 ），男，博士，教授，从事增材制造二计算机数控研究三 E －mail：ywd stephen＠/doc/dc1836306.html,三直线电机进给系统伺服参数与控制参数设计杨伟东1，2，贾鹏飞1，杨泽青1，陈蜀中2，黄剑锋2（1.河北工业大学机械工程学院，天津300130；2.江苏建一机床有限公司，江苏宿迁223900）摘要：为了提高直线电机伺服系统的刚度特性和动态性能，减小直线电机的位置输出误差，实现对电机的高精度高速度的控制效果三对直线电机进给系统的控制响应特性进行了研究，建立了系统的传递函数模型，分析了伺服参数对于响应特性的影响，采用PID 控制器对电机位置输出进行控制以减小电机位置输出误差，运用Matlab ／Simulink 进行系统建模和仿真分析，并通过遗传算法对PID 3个控制参数进行了整定，提高了系统的动态响应特性，取得了较好的控制效果三关键词：直线电机；PID 调节器；Matlab ／Simulink；参数整定；遗传算法中图分类号：TM273 文献标志码：A 文章编号：1001－3881（2018）01－097－5Design of Servo Parameters and Control Parameters of Linear Motor Feed SystemYANG Weidong 1，2，JIA Pengfei 1，YANG Zeqing 1，CHEN Shuzhong 2，HUANG Jianfeng 2（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2.Jiangsu Jianyi Machine T ool Co.，Ltd.，Suqian Jiangsu 223900，China）Abstract ：In order to improve the stiffness characteristics and dynamic performance of the linear motor servo system，to reducethe tracking output error，the control effect of high precision and high speed of the motor is realized.The control response characteristics of linear motor feed system were studied.The transfer function model of the system was established，and the influence of the servo pa-rameters on the response characteristic was analyzed.The position output of the motor was controlled by the proportional integral deriv-ertive （PID）controller to reduce the output error of the motor position.The system modeling and simulation analysis were carried outby Matlab ／Simulink，and the control parameters were selected by genetic algorithm，which improved dynamic response characteristicsof the system，and has achieved good control effect.Keywords ：Linear motor；PID controller；Matlab ／Simulink；Parameters selection；Genetic algorithm０前言数控机床一般由数控系统二机床本体和伺服系统三部分组成三数控伺服系统是连接数控系统和机床本体的关键部分，直接关系到执行件的静态特性和动态特性二工作精度二负载能力二响应速度和稳定程度［1］三随着技术的不断发展，直线电机进给伺服系统因其响应速度快二加速度大二精度高等优点被广泛地应用到数控机床当中，它相比于传统的滚珠丝杠进给系统，最大限度地降低了移动部件的质量，大大提高了进给速度与效率［2］三但由于直线电机在工作过程中，它的初级和次级始终与机床相连形成一体，使得各种干扰不经过任何环节的衰减直接传到电机上，加大了电机的控制难度，也影响到了机床的加工精度，因此如何提高直线电机伺服系统的动态性能和刚度特性是其应用面临的主要问题三国内外学者对于电机的控制精度与刚度特性的问题做了大量研究三CUPERTINO 等人［3］采用神经网络对直线电机控制系统的跟踪性能进行了训练，并通过遗传算法搜索最佳的性能参数，从而快速得到了最优参数，有效的解决了直线电机有效载荷的质量变化和静态摩擦的敏感性三JOO 等人［4］采用了有限元仿真对电机的产热问题进行了数值模拟，分析了运动过程中的热应力与变形，优化了电机的设计参数三刘成颖等［5］以位置环的阶跃响应上升过程和刚度特性构造目标函数对速度环和位置环控制器参数进行联合整定的方法，提高了伺服系统的动态刚度三左健民等［6］以开发了一款控制芯片，以它来驱动电机的伺服系统，通过多次试验最终取得了较好的控制效果三从以上研究来看，前人的工作主要是控制算法的研究和控制技术的创新，但由于直线电机在运行过程中易受外界扰动的影响，需要控制器具有很好的鲁棒性，因此分析电机内部伺服参数对于抵御外界扰动的影响有着重要的作用，同时如何选取伺服参数的数值也将会影响到电机的输出精度三为此，本文作者对直万方数据。
直线进给伺服驱动技术及其控制模式
直线进给伺服驱动技术及其控制模式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，是NC机床实现高速精密加工发展的需要。
详细阐述最新发展起来的直线伺服驱动技术及其控制策略。
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”地获得最终的直线运动，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最高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。
永磁同步直线电机伺服系统的控制策略和实验研究
永磁同步直线电机伺服系统的控制策略和实验研究永磁同步直线电机（Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，简称PMSLM）作为一种新型的线性电机，具有结构简单、功率密度高、运动精度高等优点，在自动化设备领域得到了广泛应用。
为了满足不同应用场景对于运动控制的要求，不同的控制策略和方法被提出并进行了实验研究。
PMSLM的控制策略主要包括传统的经典控制方法和基于现代控制理论的高级控制方法。
在传统的经典控制方法中，比较常用的是PID控制方法。
PID控制器根据误差信号，即设定值与实际值之间的差距，通过调整控制器输出来实现对电机的控制。
PMSLM的电流、速度和位置控制均可以采用PID控制器。
在PMSLM的电流控制中，通过测量电机的电流值与设定的电流值之间的差距，并通过控制器的输出控制电流控制环节，从而实现对电机电流的闭环控制。
由于永磁同步直线电机具有响应快、精度高的特点，在电流控制上采用PID控制器能够有效地实现对电流的控制。
PMSLM的速度控制是通过测量电机的速度值与设定的速度值之间的差距，采用PID控制器来实现对电机速度的控制。
通过调整PID控制器的参数，可以实现对电机速度的精确控制。
在速度控制中，也可以采用模型预测控制（Model Predictive Control，简称MPC）方法。
MPC方法通过建立电机的数学模型，预测电机的未来状态，并通过优化控制目标对电机进行控制，具有较好的控制效果。
PMSLM的位置控制是通过测量电机的位置值与设定的位置值之间的差距，采用PID控制器来实现对电机位置的控制。
所使用的PID控制器可以是位置式的PID控制器，也可以是增量式的PID控制器。
通过调整PID控制器的参数，可以实现对电机位置的精确控制。
除了PID控制器，还可以采用模糊控制、神经网络控制等高级控制方法对PMSLM进行位置控制。
针对PMSLM的控制策略，实验研究也是必不可少的。
任务6进给伺服系统的连接和参数设定PPT课件
2）电机启动后堵转
指令频率太高 负载转矩或惯量太大 加速时间太短 电源电压降低
数控设备维修
数控设备维修
外部脉冲当量设定值/电子齿轮比=系统实际脉冲当量
外部脉冲当量分子(um) = 电机每转一圈机床移动距离或角度所对应的内部脉冲当量
外部脉冲当量分母
10000（数字伺服和11型伺服）
或 电机每转一圈机床移动距离或角度所对应的内部脉冲当量
电机每转一圈反馈到数控装置的脉冲数（模拟伺服）
或 电机每转一圈机床移动距离或角度所对应的内部脉冲当量
数控设备维修
步进电动机的步距角越小， 位置精度越 高。 对于定子相数为m， 转子齿数为Z的步进 电动机， 其步距角为：
s
360 mZK
其中：K＝拍数/相数
n 60 f mzK
其中： n——电动机的转速（r/min）； f——电脉冲频率
可以得出：
步进电动机的角位移的大小与与 指令脉冲数成正比； 转速与脉冲的 频率成正比；转动方向取决于定子绕 组的通电顺序。
3）电机抖动
指令脉冲不均匀或太窄或脉冲电平不正确 指令脉冲电平与驱动器不匹配 脉冲信号存在噪声 脉冲频率与机械发生共振
数控设备维修
4）定位不准 加减速时间太短 存在干扰噪声 系统屏蔽不良
5）进给方向相反 指令信号线接反 驱动器与电机的相序线接错 系统参数设置不当（系统电子齿轮比）
6）实际进给速度与指令值不符 驱动器拨动开关设置不当 系统参数设置不当
数控设备维修
精密直线电机ISD203智能伺服系统驱动器设计
图1智能伺服系统驱动器直线电机单轴定位和控制所示，单轴定位即为X轴定位控制，中央控制器，可以实现单轴X的位置控制，同时，实现多轴联动的位置控制。
如图3所示，SH-20806C制器的主控电路，QF1和QF2为断路器，控制着电路的电源电压和电流。
外围电路连接图包括KA1和为继电器，KA2为接触器。
伺服系统第一速度定位移动轴在确定的终点所能达到的实际位置，直线电机伺服控制定位，一般是通过位置、三种方式进行控制。
第一速度定位方法是，伺服系统开始寻找起点的脉冲信号，一直搜索，直到找到信号，则马上停止搜索，并以此为新的起点，这就是定位，法就是第一速度定位。
4中断定位如图4所示，在定位处中断，并转入处理新的指令，处理完毕后，自动返回原位置，并反复寻找原点的脉冲信号，确认原点，并进行定位，继续执行原来的运动。
5机械归零X轴、Y轴和Z轴的行程极限附近分别有一个开关，当分别接触到这个开关时，机械坐标就自动清零，这样就可以实现机械归零。
设计的时候专门有一个“机械归零”的装置，并连接按钮。
6驱动器控制模式选择:位置控制、速度控制、转矩控制速度控制是依据控制速度的大小和方向来进行控制图320GM控制系统及接线图图220GM单轴位置控制负限位原位正限位工作台丝杆回原位步进电机PLC开关屋20GM驱动器QF2KM2DC+DC-DC+-U1NQF1N1KA1Y20X0X1X2X3X4COMMX轴SH-20806C脉冲方向脱机公共端A+A-B-B+24VDC+-20GM5ECCOM5PLCL启动停止正向反向复位220AC N1KM2KA1L图4中断定位处理框图的，转矩控制是依据控制转矩的大小和方向来进行控制的，而位置控制是通过控制各个运动部件的不同位置来进行控制的。
具体采用什么控制方式要根据具体要求，满足所需运动功能来进行选择。
对位置和速度有一定的精度要求，用转矩模式不太方便，因此，速度和位置模式都采用。
其中，对直线电机运动中的动态响应性能有较高的要求，需要实时对电机进行调整。
直线电机的PID控制器设计
直线电机的PID控制器设计直线电机是一种常用于工业自动化控制系统中的电动机，它具有结构简单、性能优越等优点，广泛应用于数控机床、自动化生产线等领域。
PID控制器是一种常用的控制算法，可以对直线电机进行精确的位置、速度和力矩控制。
1.系统建模：首先需要对直线电机进行建模，得到其数学模型。
直线电机的数学模型可以通过动力学方程来描述，其中考虑到机械和电磁的相互作用。
根据直线电机的特性，可以得到其动力学方程，例如：Mi=Ke*Ie-Fe-Ff-FvVi=Kt*i其中Mi为直线电机的力矩，Ke为电动势常数，Ie为电流，Fe为电磁力，Ff为摩擦力，Fv为外部干扰力，Vi为速度，Kt为电动势常数，i为电流。
2. 参数调整：在PID控制器中，P代表比例控制，I代表积分控制，D代表微分控制。
需要根据实际情况对这三个参数进行调整，以达到最优的控制效果。
参数调整可以通过试验或者计算的方式进行。
常见的调参方法有Ziegler-Nichols方法、最小二乘法等。
3.控制策略选择：根据实际需求，选择合适的控制策略。
直线电机的PID控制器可以采用位置控制、速度控制或者力矩控制策略。
根据电机的特点和应用场景，选择合适的控制策略。
4.实施控制算法：将PID控制器算法实施到直线电机的控制系统中。
使用编程语言或者控制器硬件进行实现，将参数调整好的PID控制器算法应用到直线电机的控制系统中。
5.闭环控制：PID控制器是一种闭环控制算法。
在实际使用中，需要通过传感器获取直线电机的实际位置、速度或者力矩，然后将其与期望值进行比较，计算出控制信号，对直线电机进行调节。
通过反馈控制，使得直线电机的输出与期望输出尽可能接近，实现精确的控制。
在PID控制器设计中，还需要考虑以下几个因素：1.控制器输出：PID控制器通过计算得到的控制信号，需要转换成适合直线电机的输入信号。
可以通过电流、电压加以控制。
2.控制器稳定性：PID控制器需要保持系统的稳定性，以确保输出结果不会出现震荡、持续偏差等情况。
190 交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计
交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计摘 要直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。
本文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设计作了深入研究。
本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方便有效的装配过程。
建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策略，选择了矢量控制方法。
确定 0 = d i 的矢量控制实现形式。
通过 SVPWM 方法进行脉宽调制，合成三相正弦波。
选用 TI 公司2000 系列最新 DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法在 DSP 中的实现形式。
采用了 C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。
在功率放大装置中， 以智能功率模块 IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。
还包括电流采样、光电隔离、过压欠压保护和电源模块等。
由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。
关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制AbstractLine motors are playing a more and more important role in all kinds of trade ,especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , softwareand hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linearmotor(PMSLM).First introduce the design method of armature ,core of al and magnet whichcan minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on highthrust permanent magnet synchronous motors.To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, wechoose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of theservo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analysethe current control strategies and choose the vector control method which is realizedby the method of 0 = d i .The three phase sine wave is compounded by spacevoltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language andassembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the poweramplification circuit system which also contains current sampling circuit,photoelectricisolation circuits, overvoltage protection circuits, undervoltageprotection circuits and power supply.As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamentalresearch to the linear motor.Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP ,SVPWM, vector control目 录摘要 中文 (I)英文 (II)第一章 绪 论 (I)1.1 研究背景和意义 (1)1.2 直线电机的运行原理及特点 (2)1.2.1 直线电机的基本运行原理 (2)1.2.2 直线电机进给系统优缺点分析 (3)1.3 直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究综述 (4)1.3.1 国内外直线电机历史、现状及发展 (4)1.3.2 直线电机伺服控制系统的研究综述 (7)1.3.3 试验研究 (10)1.4 本文主要研究内容 (10)第二章 永磁永磁直线同步电机基本结构 (11)2.1 实验用交流永磁同步电机基本结构........................................................错误！未定义书签。
直线电机运动控制系统设计与实现
直线电机运动控制系统设计与实现随着机器人技术的不断发展和应用领域的不断扩展，直线电机运动控制系统的应用越来越广泛。
在机械加工、物流、医疗、安防等领域，直线电机运动控制系统可以提高生产效率、降低成本、增加安全保障等方面发挥重要作用。
1. 直线电机的基本原理直线电机是一种特别的电机，它与传统的旋转式电机不同，它的转子是直线形的，转子和定子之间的相互作用力在直线上，因此可以实现直线运动。
直线电机可以分为平移式直线电机和旋转式直线电机两种。
平移式直线电机是指直线电机的运动方向和转子的方向平行；旋转式直线电机是指直线电机的运动方向与转子相垂直，有时也可以被称为“轴向直线电机”。
直线电机的工作原理是通过电流和磁场的相互作用来实现电机的运动。
在直线电机中，将磁场沿着直线方向排列，电流在磁场中就会发生运动，因此直线电机可以将电能转换为机械能，实现直线运动。
2. 直线电机运动控制系统的组成直线电机运动控制系统主要由以下几个部分组成：（1）直线电机：直线电机作为系统的关键部分之一，承担着将电能转换为机械能的重要任务。
（2）导轨：导轨是直线电机运动控制系统中的另一个重要组成部分，它可以为直线电机提供运动的支撑和方向控制。
（3）控制器：控制器是直线电机运动控制系统中的核心组成部分，它可以实现直线电机的运动控制、位置控制、速度控制、力控制等功能。
（4）编码器：编码器是直线电机运动控制系统中的重要传感器，它可以实时检测直线电机的位置和速度信息，并将其反馈给控制器。
（5）驱动器：驱动器是直线电机运动控制系统的另一个重要组成部分，它可以实现对直线电机的电能输入和输出控制。
3. 直线电机运动控制系统的设计设计直线电机运动控制系统需要考虑多个因素，其中包括电机的选型、导轨的选型、控制器的配置、编码器的配置和驱动器的调试等多个环节。
（1）电机的选型：需要根据实际的应用需求选取合适的电机规格，包括电机的功率、扭矩、转速等参数。
（2）导轨的选型：需要根据实际的应用需求选取合适的导轨类型，包括单轴、双轴、三轴等不同类型的导轨，并需要考虑导轨的滑动方式和阻力等因素。
直线电机应用以和伺服控制PPT课件
11/8/2019
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变增益交叉耦合控制： 以减小轨迹误差为目标的控制算法
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Y
圆心（X0，Y0）
θ
R
P* (Rx，Ry)
Ey
ε
Ex
P
(Px，Py)
θ
X
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• 直线电机优点（无铁芯无刷直线电机）
– 高精度：（无传动误差，高分辨率光栅尺，全闭环控制）定位 精度（±4um）、重复定位精度（±1um）
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减小单轴跟随误差对减小轮廓误差有作用，
但是也有很多限制。例如上图中，同时减小 XY的跟随误差后，其轮廓误差并没有明显减 少，反倒有可能增大。平且一味的减少单轴 跟随误差还有可能导致系统太灵敏而不稳定。
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直线电机选型（引用华嶺机电资料）
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• 直线电机选型还要注意 – 温升（冷却） – 工作电流 – 行程
– 霍尔元器件（没有霍尔，上电需要驱动器 寻找磁场相序）
• 然后优化驱动器速度环
• 最后调整FSCUT4000的PID参 数，使用“PID自动调整”
• 自动调整时使用“高级自动 调整”，尽量使用高一些的 刚性等级
直线电机应用以及伺服控制
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直线电机应用以及伺服控制
缺点： 伺服控制和速度规划分开实现无法用速度规划的信息做前馈控制伺服响应较慢单轴跟随误差大 各轴伺服控制分开实现无法自动实现各轴伺服响应的匹配得到高精度的轨迹控制 无法补偿反向摩擦力 无法主动消除轨迹误差 无法进行耦合控制实现高同步的龙门控制
直线电机及驱动器相关品牌 中国大陆：大族、华嶺、维纳、同日等 中国台湾：Hiwin等 美国：Parker、Copley、GlenTek等 以色列：Elmo、Megafabs 德国：西门子、路斯特LST等 日本：安川、松下等 新加坡：PBA
直线电机选型引用华嶺机电资料
直线电机选型还要注意 温升冷却 工作电流 行程 霍尔元器件没有霍尔上电需要驱动器寻找磁场相序
减小单轴跟随误差对减小轮廓误差有作用但是也有很多限制例如上图中同时减小XY的跟随误差后其轮廓误差并没有明显减少反倒有可能增大平且一味的减少单轴跟随误差还有可能导致系统太灵敏而不稳定
变增益交叉耦合控制： 以减小轨迹误差为目标的控制算法
直线电机优点无铁芯无刷直线电机 高精度：无传动误差高分辨率光栅尺全闭环控制定位精度±4um、重复定位精度±1um 高速度：高达5m/s 300m/min 高加速度：可达5G 高刚性动态响应快直线电机系统的单轴跟踪误差比传统旋转电机可以小10倍以上 无反向间隙 无磨损寿命长
交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计-开题报告
交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计-开题报告交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计开题报告一、综述1、研究的意义直线电机技术是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要通过中间任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维护方便等优点。
旋转电机所有的品种，直线电机技术几乎都有相对应的品种。
其应用范围正在不断扩大。
在一些它能独特发挥作用的地方，取得了非常令人满意得效果。
随着微电子、电力电子技术、永磁材料技术和驱动技术的发展，直线电机系统有了长足的进步，国外著名电器（气）公司相继推出并不断完善、更新各自的直线电机系统。
其应用十分广泛，如列车驱动、物料运送、机床工作、食品和轻工机械、自动绘图仪、液压金属泵、空气压缩机、电磁炮、家用电器以及半导体器件等。
与国外发达国家相比，我国直线电机在技术上有很大的差距，在市场上有很大的潜力，[1]所以做这个题目有很大的实际意义。
2、直线电机的发展历史及现状直线电机的发展主要经历了探索、实验、开发应用以及实用商品化四个阶段:探索阶段(1886一1929)19世纪末20世纪初，N.Tesla研究了一系列运动电磁场方面的技术，并开始了直线电机方面的研究工作。
值得注意的是，在该阶段，部分研究者不仅从理论上研究了直线电机的驱动原理，并且进行了各种应用方面的初步研究，但大多数以失败告终。
如当时用直线电机来推动织布机上的梭子，或作为铁路列车的动力，均未获得成功。
直到1915年，苏联的齐亚夫完成了最早的水银用电磁泵。
把直线电机的原理性试验向前推进了一大步。
实验阶段(1930一1940)在这个阶段，直线电机受到更多重视，一度出现了直线电机热。
如1930年美国的Bachelet 获得双边型直线电机专利;1931年德国Einstein等人获得直线电磁泵专利;1934年美国Hase 完成直线电磁炮。
在这个阶段即将结束时，美国西屋公司发生了著名的电动牵引机(electropult)失败事件。
第四章 机电一体化系统进给伺服系统设计
G
三、传动系统等效负载转矩的计算
传动系统等效负载转矩T 可根据静态时功率守恒原则进行 计算。下面以机床工作台的进给伺服系统为例，说明等效 负载转矩的计算方法。如图4-5所示，当系统匀速运动时， 考虑进给切削力 和因部件重力G而产生的摩擦力，则所 Ff 需的负载功率为： P ′L = ( F f + Gµ )vi = ( F f + Gµ ) Ph n s （4-3） 式中 ：F f ——运动部件所受的进给切削力，单位为N； G ——工作台运动部件的总重力，单位为N； v i ——运动部件的移动速度，单位为m/s µ ——导轨的摩擦系数； ——滚珠丝杠的导程，单位为m； Ph ns——滚珠丝杠的转速，单位为r/s
2. 按使用的驱动元件分类 （1）步进伺服系统 驱动元件为步进电动机。常 用于开环/半闭环位置伺服系统，控制简单，性能/ 价格比高，维修方便。缺点是低速有振动，高速输 出转矩小，控制精度偏低。 （2）直流伺服系统 驱动元件为小惯量直流伺服 电动机或永磁直流伺服电动机。小惯量伺服电动机 最大限度地减低了电枢的转动惯量，所以能获得较 好的快速性；永磁直流伺服电动机能在较大的负载 转矩下长时间工作，电动机的转子惯量大，可与丝 杠直接相联。 （3）交流伺服系统 驱动元件为交流异步伺服电 动机或交流永磁同步伺服电动机。可以实现位置、 速度、转矩和加速度等的控制。
P ′L ( F f + Gµ ) Ph n s ( F f + Gµ ) Ph η= = = PM 2π Teq n m 2π Teq i
(4-5)
式中 i ——传动机构的传动比, i = n m n s 由式(4-5)可得，折算到电动机轴上的等效负载转矩为： (4-6) ( F f + Gµ ) Ph Teq = 2πη i
直线电机调整及参数设定
直线电机安调步骤技术课：黄辉一、方向判断1、直线电机的正向判断：1）线圈移动型（动力电缆的反方向为正向）：2）磁板移动型（动力电缆的同向为正向）：2、光栅尺的正向判断：1）观察光栅尺主体标记（heidenhaim字样）的方法2）通过位置画面观察准备工作：修改参数2022=111，同时断开直线电机三相动力线手动推动直线电机，POS画面显示坐标值增大的方向即为光栅尺的正向。
3、调整动力线相序当上述直线电机的正向和光栅尺的正向不一致时，必须调整直线电机的动力线进行适应，以保证两者方向相同。
步骤如下：二、参数设定：1、设定平台：系统：31i+PANEL i伺服软件版本：90E3直线电机：Lis15000C2/3HV（磁板宽度60mm，水冷）光栅尺：海德汉LC193F（分辨率0.01um），绝对光栅尺系统检测单位：0.1um（1013#1=1：IS-C，可根据实际需要调整设定）2、参数设定步骤：设定步骤（1）：电机初始化1）初始化位：P2000#0=12）AMR设定：P2001=03）移动方向：P2022=111/-111（根据实际需要）4）电机代码：P2020=3915）直线电机有效位：P2010#2=1设定步骤（2）：伺服参数设定1）速度脉冲数设定：P2023=3125/16/分辨率（um）=19531（可近似取整）2）位置脉冲数设定：P2024=625/分辨率（um）=62500（超出32767）故可设定P2024=6250，P2185=103）忽略a编码器断线报警：P2013#7=14）设定AMR变换系数：P2112和P2138方法一：仅使用P2112的情况（当计算结果为整数时可使用）P2112=磁板长度（mm）/分辨率（um）=6000，P2138=0 方法二：两者均使用的情况（适用于任何情况）：磁板长度（mm）×1000/分辨率（um）=P2112×2P2138计算得出：P2112=46875（超出32767），P2138=7故最终设定：P2112=23438（四舍五入），P2138=8 5）设定柔性齿轮比：P2084和P2085FFG=分辨率（um）/检测单位（um）=0.01/0.1=1/10设定步骤（3）：磁极位置检测（在进行该步骤前，先保证直线电机可以动作）：1）磁极位置检测功能有效：P2213#7=12）AMR偏执有效：P2229#0=13）编写梯形图将G135的对应位强制为1，磁极位置检测开始4）磁极位置检测完成之后，系统自动将偏置参数写入P2139 设定步骤（4）：过热参数设定：对于水冷型直线电机，需要修改如下参数（自冷型初始化设定即可）1）OVC报警参数POVC1：P2062=325632）OVC报警参数POVC2：P2063=25573）OVC报警参数POVCLMT：P2065=76014）电流频率参数RTCURR：P2086=20295）停止时OVC倍率OVCSTP：P2161=140设定步骤（5）：绝对编码器设定1）绝对编码器有效：P1815#5=12）绝对零点建立：P1815#4=1（需安装具体步骤和实际情况设定）。
进给伺服系统的设计
进给伺服系统的设计4.1 简介数控机床伺服进给系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，简称伺服系统。
它主要由伺服驱动单元、伺服电动机、机械传动装置、执行元件和位置检测反馈单元等部分组成，其中开环控制伺服系统无位置检测反馈单元。
伺服系统的输入与数控插补器相联，接受指令信号的控制，其输出与机床的机械运动相联，完成预定的直线或转角位移。
伺服进给系统按照数控加工对轨迹要求可分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制；按照有无检测元件的安装位置可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制；按照反馈信息和比较方法的不同可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。
4.2传动系统的设计及计算4.2.1 进给传动系统设计时要考虑的方面1）间隙。
间隙是控制系统中的非线性因素，引起一个直接的时间滞后，造成随机误差和增加不稳定倾向，应尽量减小或消除。
2）刚度质量比。
传动链的弹性变形会产生时间滞后和超越，产生误差，但增加结构造成惯性大也会使系统动态性能下降，调整困难。
故应设计刚度质量比大的结构以满足要求。
3）摩擦。
摩擦会使加速性能下降，尤其应尽量减小静摩擦力和动摩擦力之差，防止产生自激振动或爬行。
4）阻尼。
阻尼会增大误差，但能减小超调量，有使系统稳定的作用，故应在系统内有适当的阻尼。
4.2.2设计步骤1）选择控制形式精度要求高时，一般采用闭环控制，但对于大型机床，受传动链刚度和固有频率限制，应采用半闭环或开环控制。
要求精度不太高时，通常采用半闭环控制。
根据以上原则，选用开环控制系统。
2）选择驱动元件主要考虑惯量匹配要求31≤≤LMJ J ，电机惯量过大时，其加速性能得不到充分发挥，太小时与负载惯量不匹配，影响整个系统的伺服性能。
查考[5]P41-346，选取m kg J M ⋅⨯=-4106① 本设计方案选用步进电动机来驱动。
② 已知脉冲当量为0.01mm ，最大进给速度min /10max m =ν，则电动机的工作频率HZ f 7.1666601.0601010603max =⨯⨯==δν 查[15]P41-341表41.5-18，选取电动机型号为90BF004，其主要技术参数如下表：3） 机械传动装置设计 ① 选择执行机构因为移动行程小于4m ，故采用滚珠丝杠传动。
直线电机进给伺服系统综述
就 会 产 生 初 次 级 之 间 的 耦 合 变 化 ，从 而 电 磁 推 力 就 会 随 之 速 度 不 同 时 产 生 直 线 推 力 ， 属 异 步 电 机 。 这 种 电 机 次 级 ， 产 生 变 化 ， 因此 ，应 将 次 级 缩 短 ，使 耦 合 保 持 不 变 ， 初 级 结 构 简 单 ，但 需 采 用 复 杂 的矢 量 控 制 方 法 ，初 级 发 热 严 重 ，
由旋 转 电 机 经 丝 杠 来 转 换 ， 没 有 传 动 间 隙 （ 括 反 向 间 包 隙） ，因 此 ，精 度 较 高 ，具 有 “ 接 传 动 ” 无 间 隙 传 动 ” 直 、“ 、
“ 传 动 ”等 美 称 ，有 广 阔 的 应 用 前 景 。 零
合 ，直 流 线 圈 或 框 架 移 直 线 电机 与 旋 转 电 机 的 原 理 相 动 。 音 圈 电 机 采 用 无 铁 同 ，将 旋 转 电 机 沿 其 径 向 展 开 就 成 为 直 线 电 机 ，如 图 １所 芯动 圈 式 结 构 ，音 圈 通
１ 得 到直 线 运 动 的途径 ．
力 ，若 在 次 级 的 两 边 均 装 上 初 级 ，则 其 法 向 吸 力 可 以 相 互
ａ所 示 。 机 械 中 的各 种 运 动 大 体 上 可 分 为 直 线 运 动 、旋 转 运 动 抵 消 ，且 推 力 加 大 ，称 为 双 边 型 直 线 电 机 ，如 图 ２ ｂ 和 曲线 运 动 ，其 中 直 线 运 动 和 旋 转 运 动 是 最 基 本 的 两 种 运 也 可 以 是 一 个 初 级 两 个 次 级 的 结 构 ，如 图 ２ 所 示 。
目前对于数控机床和加工中心上所用的直线电机以同步式和感应式为多它们的性能各有特点表2中对比了它们的性能可以看出同步式直线电机结构简单次级不用冷却效率高控制方便但成本较高装配困难需要屏蔽磁场不过随着钕铁硼ndfeb等新永磁材料的发展将在数控机床和加工中心上占据主流
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直线电机进给系统伺服参数与控制参数的设计高峰;斯迎军【摘要】简单介绍了直线电机的分类和优点,设计了一种直线电机伺服系统的结构,说明了驱动器的使用方法及其基本工作原理.研究了直线电机进给系统的控制响应特性,建立了系统的传递函数模型,分析了伺服参数对于响应特性的影响,采用PID控制器对电机位置输出进行控制以减小电机位置输出误差,运用Matlab/Simulink进行系统建模和仿真分析.【期刊名称】《山西电子技术》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】4页(P34-37)【关键词】直线电机;伺服系统;速度环;位置控制;参数整定【作者】高峰;斯迎军【作者单位】中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024;中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TM359.41 直线电机系统分类及其伺服系统的优点早在1845年，Wheatstone提出了直线电机的概念。
20世纪50年代中期，控制、材料技术的飞速发展为直线电机的应用提供了技术基础。
直至20世纪90年代，随着设备向高速化、精密化方向的发展，直线电机被用于设备伺服系统中，并且发展迅速[1]。
直线电机分为直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机、直线磁阻电动机。
目前使用比较广泛的是直线感应电动机和直线同步电动机。
直线同步电动机虽然比直线感应电动机工艺复杂、成本较高，但是效率较高、次级不用冷却、控制方便，更容易达到要求的性能。
因此随着钕铁硼永磁材料的出现和发展，永磁同步电机已成为主流。
在数控设备等需要高精度定位的场合，基本上采用的都是永磁交流直线同步电动机。
直线电机伺服系统的优点主要是结构简单、定位精度高、反应速度快、灵敏度高、随动性好。
2 直线电机伺服系统模型直线电机进给驱动系统结构如图1所示，主要由导轨、滑块、定子、动子、霍尔元件和光栅组成。
相对于传动的滚珠丝杠进给系统，它取消了中间的传动装置从而大大提高了电机的响应特性。
电机中的电流会随时间而发生变化从而产生电磁力，电磁力为电机的直接驱动力，其中电机的磁场为开放磁场，它是由三相绕组通入三相对称正弦电流后形成气隙磁场。
图1 直线电机进给系统的组成为了构建直线电机整体的系统模型，首先对执行机构的运动进行分析，求得它的传递函数。
通过直线电机的初级与次级的运动分析，由动力学方程得：L.(1)式中:m为移动工作台的质量;F为电机的牵引力；c为导轨的阻尼系数。
为计算方便将摩擦力算入到干扰力中，然后经过拉氏变换，便可以得到传递函数:(ms2+cs)X(s)=F(s).(3)图2为一个典型的电机进给系统控制框图，它是一个由速度环和位置环组成的双闭环控制系统，由前面的分析可知，系统的伺服动刚度主要取决于系统参数的选取。
为了便于分析系统参数对伺服动刚度的影响，首先对系统的传递函数进行建模。
图2 闭环控制伺服系统框图通过直线电机进给系统控制结构的原理图得到控制系统传递函数框图如图3所示。
图3 直线电机进给系统传递函数其中:G2(x)是根据系统控制结构模块的变量函数化简得到的，是电机中速度环PI调节、滤波环和电流环化简后的传递函数，它的结果为:(4)(5)(6)式中:KP为速度环;KPI为电流环比例系数;TN为速度环积分时间常数;TGL为速度环滤波时间常数;Ra为直线电机的电枢电阻[2]。
3 直线电机伺服参数的确立3.1 伺服动刚度为了能够评价系统抵御外界扰动力的能力，下面引入伺服动刚度的概念，它是由系统的给定位置的输入xi和外界扰动力Fr两部分组成[3]，评价的方法是根据系统的干扰力与干扰力所引起的位置偏差的比，即(7)式中:Δx为输入量x0与输出量xi之间的偏差值，其中当输入位置指令等于零时，Δx=x0，所以在输入量x0为零时，伺服刚度可以表示为干扰力与干扰力引起的输出之比，此时传递函数结构框图如图4所示。
图4 传递函数框图在速度环中包含有电流环，电流环的闭环传递函数是G1(s)，通过化简得:(8)令传递函数则(9)式中：在干扰力为零的情况下，直线电机位置输入与执行机构位置输出的传递函数可以表示为:(10)由以上的公式可知，影响电机伺服动刚度的参数主要有:位置环增益KV，速度环增益Kp，电流环比例放大KPI，速度环积分时间常数TN，速度环滤波时间常数TGL，直线电机的电枢电阻Ra和电枢电感La,其中电枢电阻和电感电阻主要由选定的电机所决定，当电机一定时这两个参数便会确定下来[4]。
3.2 伺服参数对伺服动刚度的影响业内相关人士对于系统的伺服参数设定进行了详细的研究，伺服参数的取值范围见表1。
伺服参数如何选取应结合进给系统的机械特性与动态特性，两者相互配合，彼此协调才能取得较好的控制效果[5]。
表1 伺服参数的取值范围表K V/(m·min-1·mm-1)KP/(mA·m-1·min-1)TN/msTGL/μsKPI/(V·A-1)KF/(N·A-1)TL/ms0.1～290～65 5350～6553.550～65 5350.01～655.35309.6为了更好地确定出各个参数的取值，首先分析各个参数对伺服动刚度的影响，利用Matlab编写M程序，采用单因素分析方法对参数进行分析，即在仿真时只改变一个参数其余参数为初设值，在进行参数设定时选取不同参数的3个数值，代入到程序中进行仿真，观察参数的变化对于伺服动刚度影响曲线与系统阶跃响应的影响曲线。
综上分析可知，位置环比例增益KV、速度环比例增益KP、速度环积分时间常数TN 3个参数对于系统伺服动刚度和动态特性的影响较大，位置环比例增益和速度环比例增益越大，系统伺服动刚度也就越大。
速度环积分时间常数越小，伺服动刚度也越大。
三者的参数发生改变时，响应曲线会发生明显的变化，一般过大的KV 和过小的TN都会影响系统的稳定性，因此在进行伺服参数确定时应重点考虑以上的3个参数，合理的参数匹配才能达到理想的控制效果。
3.3 伺服参数的确立为了得到合适的伺服参数，参考多因素正交实验的方法来确立出各个参数的具体数值，参数表如表2、表3所示，得到参数后将其带入到Matlab程序中观测对系统结果的影响曲线，系统的伺服动刚度和动态特性曲线如图5所示。
表2 直线电机进给系统伺服参数的取值表KV/(m·min-1·mm-1)KP/(mA·m-1·min-1)TN/msTGL/μsKPI/(V·A-1)KF/(N·A-1)TL/ms2.55 000450016309.6表3 直线电机执行机构的取值表M/kgCF/N38050016 800图5 系统伺服动刚度和动态特性曲线从图5(a)中可以看出，干扰力的峰值为5×10-5 mm，恢复时间约为0.1 s，系统的稳定性较好。
从图5(b)对动态特性的影响中可以看到，曲线并未出现超调量，响应时间约为0.15 s也较为理想。
可见伺服参数的合理匹配，相互协调，系统的伺服动刚度取得较好的控制效果。
求得伺服参数便可得到具体的系统传递函数，为提高系统的输出精度，下面将对系统的控制参数进行设计。
4 系统控制参数的确立由于位置是电机的最终输出量，它将直接影响着机床的加工精度，为提高电机的位置输出精度，采用PID调节器对位置输出进行控制。
PID控制方便简单，易于实现，且对于偏差具有很好的抑制效果，它总共包括3个环节，即比例环节、积分环节和微分环节。
经典的PID控制算法为:.(11)式中:u(t)为控制器输出;e(t)为系统偏差;kp、ki、kd为控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。
在控制过程中，PID控制器主要是对偏差进行控制，当回路中产生偏差时，比例环节则会立即产生抑制信号对偏差进行调节，积分环节主要是对偏差进行积分运算，只要偏差存在运算一直会存在，直到消除偏差为止，微分环节的作用是对偏差进行微分运算，可以对偏差的变化进行调节。
PID控制器包含了对偏差的过去、现在和将来的控制，可以有效地抑制偏差的变化。
当Fr=0时，则传递函数为:(12)代入伺服参数数值，得到受控对象的传递函数为：G3=得到传递函数之后，通过利用MATLAB/simulink模块对直线电机PID控制系统进行搭建，如图6所示，从显示器中可以观测P,I,D 3个参数对于控制特性的影响。
为便于观测P，I，D 3个参数对于响应特性的影响曲线，也便于下面参数的整定和优化，采用Matlab的CUI功能设计了电机的P,I,D参数调节界面，它可以直观地显示3个参数的变化、匹配对于系统响应曲线的影响。
调节界面如图6所示，它主要是由滑块输入、文本输入和显示控件三部分组成，输入的控制主要是由滑块和文本的形式进行实现，显示模块主要由底层的M程序所控制，当接收到参数的数值时显示器便会显示出系统的响应曲线。
图6 PID控制的GUI界面5 总结1) 为提高直线电机的伺服刚度和位置控制精度，对电机的控制模块进行了分析，构建了系统的传递函数；2) 为了确定出合适的伺服参数，引入了伺服动刚度的概念，分析了各个参数对于系统控制特性的影响，并通过实验的方法确定出了合适的伺服参数；3) 为了提高电机的位置输出，采用PID控制器对电机的位置输出进行控制，取得了较为满意的控制结果。
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