直线电机伺服控制技术研究

    【摘 要】相较于旋转电机，直线电机能够直接将电能转化为直线运动而不需要借助任何中
间传动环节，能够满足高精数控系统和精密测量等诸多应用场合的需求，但这种控制方式
由于消除了旋转电机的中间传动机械链，负载变化直接作用于直线电机，所以使精确控制
变地更难以实现。本文通过构建速度环模糊

 PID 控制器，获得了满意的控制效果，这为发

展高性能的直线电机伺服系统提供了一定的指导与借鉴价值。

 

　　【关键词】直线电机；速度环；伺服控制

 

　　

1 引言 

　　在许多要求高速、高精度和快速响应等控制领域，被控对象往往要求具有很高的传动精
度和可靠性，而旋转电机因为受机械传动链的拖累，已难以满足高精数控系统和精密测量
等诸多应用场合的需求。由于直线电机减少了中间环节，而且进给行程几乎不受限制，所以
直线电机伺服系统采用了直接驱动的方式，这种方式具有结构简单、动态响应快、定位精度
高、调速范围广等优点，能够满足高精数控系统和精密检等诸多应用场合的需求，但这种控
制方式由于消除了旋转电机的中间传动机械链，负载变化直接作用于直线电机，所以使精
确控制变地更难以实现，伺服控制系统必须首先要消除扰动变化带来的不利影响。

 

　　由于直线电机伺服系统是一种具有高度快速性的动态系统，不可能在极短的时间内实
现十分复杂的控制算法，而模糊控制策略通过在速度环的

 PID 控制中引入模糊控制技术，

在位置环采用经典

 PID 控制，可以极大地提高系统的快速响应能力，所以本文在引进模糊

控制策略的基础上，研究搭建出了直线电机伺服控制系统，并对系统的控制策略和控制方
案进行了探讨。

 

　　

2 永磁同步直线电机的结构和原理 

　　

2.1 永磁同步直线电机的基本结构 

　　永磁同步直线电机的基本结构：在其定子上均匀地安装

N、S 永磁体；动子上开有齿槽，

在齿槽里安装电枢绕组；直线导轨安装在定子上，动子可沿导轨运动。

 

　　由于永磁同步直线电机特殊的直线结构，使得永磁同步直线电机可以消除机械传动链
的影响，所以在要求高速、高精和快响应的应用场合（如高效凸轮轴磨床）具有显著优势，
但永磁同步直线电机由于省去了中间传动环节，各种干扰因素以及负载力直接作用于电机
上，增加了控制难道，因而要选择合适的控制策略对各种扰动进行抑制，以获得满意的控
制效果。

 

　　

2.2 永磁同步直线电机的工作原理 

　　永磁同步直线电机的基本工作原理可以被认为是将一台旋转电机沿着半径方向剖开，
然后将电机的圆周展成直线而形成的。此时的气隙磁场即可看成沿展开的直线方向呈正弦分
布，即行波磁场；而行波磁场与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力以促使动子作直
线运动。

 

　　

3 模糊控制策略分析 

　　

3.1 模糊控制的基本原理 

　　为了实现对直线电机运动的高精度控制，系统采用全闭环的控制策略，但在系统的速
度环控制中，因为负载直接作用在电机而产生的扰动，如果仅采用

 PID 控制，则很难满足

系统的快速响应需求。由于模糊控制技术具有适用范围广、对时变负载具有一定的鲁棒性的