直线电机的驱动控制技术

直线电机我国的的研究和应用是从20世纪70年代初开始的。目前主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压机等。我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存在很大的差距。目前，国内不少研究单位已注意到这一点。

直线电机的工作原理

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动;反之，则初级做直线运动。

直线电机的驱动控制技术

直线电机一个应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。

传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。

在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。

近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。

直线电机在数控机床中的应用实例

活塞车削数控系统

采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。针对产量大的非圆截面零件，国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元。当用于数控活塞机床时，工作台尺寸为600mm×320mm，行程100mm，大推力为160N，大加速度可达13g。由于直线电机动子和工作台已固定在一起，所以只能采用闭环控制。

这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。采用高精度光栅尺作为位置检测元件。精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误差可以由反馈消除，获得较高的精度。

采用直线电机的开放式数控系统

采用PC机与开放式可编程运功控制器构成数控系统，这种系统以通用微机及Windows为平台，以PC机上的标准插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。基于直线电机的开放式数控系统的总体设计方案。

该系统采用在PC机的扩展槽中插入运动控制卡的方案组成，系统由PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等部分组成。数控工作台由直线电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程序的方式解释执行数控程序(G代码等，支持用户扩展)。运动控制卡型号为PCI-8132。

当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，如即插即用(PlugandPlay)、中断共享等。PCI总线具有严格的标准和规范，这就保证了它具有良好的兼容性，可靠性高;传送数据速率高(132Mbps)或(264Mbps);PCI总线与CPU无关，与时钟频率无关，适用于各种平台，支持多处理器和并行工作;PCI总线还具有良好的扩展性，通过PCI_PCI桥路，可进行多级扩展。PCI总线为用户提供了极大的方便，是目前PC机上先进、通用的一种总线。PCI-8132是具有PCI接口的2轴运动控制卡。它能产生高频脉冲驱动步进电机和伺服电机，控制2个轴的电机运动，实现直线和圆弧插补。在数控加工中，提供位置反馈。

系统软件在WINDOWS平台上开发。该软件采用模块化程序设计，由用户输入输出界面、预处理模块等组成。用户输入输出界面实现用户的输入、系统的输出。用户输入的主要功能是让用户输入数控代码，发出控制命令，进行系统的参数配置，生成数控机床零件加工程序(G代码指令)。预处理模块读取G代码指令后，通过编译生成能够让PCI-8132运动控制卡运行的程序，从而驱动直线电机，完成直线或圆弧插补。读取G代码的过程是首先进行参数的设定，然后读取G代码。

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