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上世纪自90年代开始，直线电机的驱 动技术在精密定位领域中得到了应用。特别是随着对数控机床加工技术要求不断地实现高速和超高速化、精密和超精密化，高速反应能力的直线驱动伺服技术—所谓的零传动方式便应运而生，由于消除了传统机械传动链所带来的一系列不良影响[1]。因而极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度，成为新一代数控机床中最具代表性的先进技术之一。因此，带来了一些新问题，现在做初步讨论。 应用中的若干问题对模型的基本认识 直线电机伺服系统与传统的“旋转电动机＋滚珠丝杠”的进给方式相比，虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响，但却增加了电气电子控制上的难度。在要求高精度、微进给的场合，必须站在更微观的层次上，考虑更多的摄动与扰动等不确定性因素对进给运动的影响。否则，零传动方式将失去原来所希冀的意义。这种机械上的简化，导致了控制上难度的增加。因此，必须采用更有效的控制技术加以解决。在目前的技术水平条件下，这种“转嫁”显然是合理的。用软件技术和微电子器件实现复杂有效的控制算法来取代对精度要求很高而又笨重的机械部件，以获得更优良的性能，无论如何这是值得的。在考虑直线伺服电机的控制策略和具体实现方法时，始终不应该忘记，尽管模型存在着不确定性，但我们所研究对象的模型框架是基本清晰的，而且对象是一个高精度的快速运动系统。直线电机的特殊问题 这里所讲的直线电机，它属于运动控制执行部件，而且是作为位置或速度伺服来应用的。电机磁路的物理结构在两边端部断开，形成了一般旋转伺服电机所没有的特殊现象——端部效应，它作为一个与动子速度和位置有关的扰动存在，对运动性能有显著的不良影响，这是必须特殊考虑的一个问题。另外，值得注意的一个问题是，直线电机驱动是直接驱动，没有中间机械传动链了。控制系统模型的摄动、负载扰动等不确定因素的影响将直接反映到直线电机的运动控制中，而没有任何中间的缓冲衰减过程，因此增加了控制上的困难。直线电机伺服驱动一般都为全闭环控制，提高了对传感器分辨率和反应能力的要求。也给系统的调整增加了麻烦。此外，对散热、制动、防尘、隔磁等实际存在的问题也要妥善处理。控制方法要有针对性与实用性 在高精度微进给运动中，必须站在更高的层次上，考虑到一些更细微的干扰因素对伺服性能的影响，必须采取有效的措施抑制这些扰动。在选取控制方法，基于对对象模型结构和参数基本清晰的认识，又要考虑它存在着模型摄动、负载扰动等未知的不确定性因素对系统稳定性和抗扰动能力的影响。与此同时，必须从直线电机伺服系统是一个具有高度快速的动态系统这一具体对象的特性出发，不可能在几十毫秒的起动或制动过程中以及更为短暂的动态调节过程中，实现十分复杂的控制算法。这就是要求针对产生扰动的不同原因的特殊性，以相应见长的控制策略对付之。伺服系统第一重要的性能就是对其指令的跟踪能力。在理想情况下，输出能无延迟、无超调地跟踪输入指令的变化。一个成功的控制策略，必须针对具体对象的特点，满足主要功能要求的同时，兼顾跟踪能力和抗扰动能力。 现在所研究的控制方法很多，在理论和实验研究上有许多文章发表于刊物，但见诸成功应用于实际产品的，基本上都是以零、极点配置的PID和前馈控制为基础的控制方法，形式上完备的现代控制方法和耗时费力的智能控制尚未在实际产品中应用。旋转电机还是唱主角 虽然直线伺服电动机驱动装置具有许多突出的优点，先进国家在数控机床等方面已得到了成功的应用，成为新一代数控机床的代表性技术并将越来越普及，但这并不意味着它能完全取代旋转电机的驱动方式。可以预料，在今后相当长的一个时期内，大量应用的还将是旋转电机与滚珠丝杠相结合的传动方式。一方面这是因为旋转电机的驱动方式也在改进，其快速性和精度在不断提高;另一方面旋转电机在价格上具有很强的竞争优势。机床已适应于旋转电机的传动方式，无需变动机床结构，它也不具有直线电机传动方式所存在的那些缺点。鲁棒性设计与H∞控制 不确定因素对于直线驱动电机来讲是十分敏感的。这是因为直线电机实现直接零传动方式，负载侧的任何变化都直接反映到电机的运动控制上。没有经过象滚珠丝杠那样机械运动变换与减速作用衰减负载侧的干扰，这相当于降低了系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能指标。因此，有必要更加重视系统的鲁棒性问题。负载侧的干扰主要有:端部效应引起的推力变化，运动导轨的非线性摩擦，低速的蠕动爬行运动，负载阻力大小和动子质量变化，与运动速度相关的粘滞摩擦系数变化等。此外，与旋转电机一样，直线电机本身参数的变化，也会引起模型的摄动。由此可见，直线电机在控制上要比旋转电机困难得多，具有更强的不确定性威胁着系统工作可靠性，在设计时必须要认真考虑，防患于未然。解决这个问题的方法就是要进行系统的鲁棒性设计。所设计的名义系统当然应该是稳定的，但摄动后的实际系统是否仍能保持稳定就不一定了。一个稳定系统的名义系统在摄动下仍然能保持其稳定性的能力，称为这个系统的鲁棒性。鲁棒性是一个统称，最基本的可分为稳定鲁棒性和品质鲁棒性，前者指系统在摄动下保持稳定的能力，后者指保持其品质指标的能力。显然，鲁棒性是控制系统的一项重要性能指标。经过20多年的研究和发展，鲁棒控制理论得到了长足的发展。尤其以H∞控制理论为突出代表，在设计控制器中得到了很好的应用。从广义上讲，系统的不确定性按其结构分为两类: 其一，不确定性结构未知，仅知不确定性变化范围(结构不确定性); 其二，不确定性结构已知，存在着参数变化(参数不确定性)。第一类不确定性鲁棒控制的研究导致了H∞控制理论的产生和成熟，第二类不确定性的鲁棒控制研究导致了参数鲁棒控制理论的发展。 H∞是一种范数的表示方式，其中H是指在称为哈迪(Hardy)空间的复右半平面上由解析复变函数所构成的集合。Hardy(1840～1928)是位英国数学家。设Hardy空间中元素为函数 ，其范数可表示为:: 上式简记为H∞，实则是表示Hardy空间中的元素函数按上述定义的一种范数。或者通俗地讲，遍取Hardy空间中元素的函数，取其长度最大者，定义为函数的∞范数，记为H∞，它亦可以视为具有这种范数的Hardy空间H∞。1981年，加拿大学者G.ames提出了以控制系统内某些信号间的传递函数(矩阵)的H∞范数为优化指标的设计思想。基于H∞控制理论设计控制系统，不论是鲁棒稳定还是干扰抑制问题都可以归结为求解一个反馈控制器使闭环系统稳定且闭环传递函数矩阵的H∞范数最小或者小于某一给定值。基于Riccati方程的DGKF方法是属于求解次优化解[2]，可由MATLAB仿真软件求出。 对于所有可能出现的干扰信号，我们总希望所求解的控制器确保闭环系统稳定的同时，使干扰信号对输出的影响最小或不产生输出，这也可以转化为干扰信号—输出信号间传递函数的H∞范数最小的问题。由此可见，为鲁棒稳定问题和干扰抑制问题而设计控制器，都需要H∞范数作为优化设计指标。在直线伺服系统中，应用H∞控制方法具有特殊的意义，比其它方法更能适应直线电机的特点。如前所述，由于零传动的结果，负载侧的所有扰动都毫无受到衰减地反映到控制系统中，这些扰动也包括系统本身的摄动，很可能招致系统的稳定性破坏与品质指标恶化，作为设计的出发点，用H∞优化设计方法可保证在最严重的情况下，也能保证稳定和抗扰品质。但这种方法对快速性与跟踪性能的影响并未直接提及。直线电机的悬浮力应用展望 对直线伺服电机驱动系统来说，另一个问题是悬浮力的产生和利用问题。摩擦有百害而无一利 在大型加工设备中，龙门移动式数控加工中心是最具有代表性的机床之一。在龙门移动式加工中心中，移动部件和静止导轨之间存在着摩擦，这种摩擦的存在有百害而无一利。具体说来: 它增加了驱动部件的功率损耗，降低了效率，降低了运动精度和使用寿命，提高了维护费用;高速时增加了运动噪声和发热，甚至可能使精密部件变形，限制了运行速度的提高; 限制了机床精度的提高，由于摩擦与运动速度间存在非线性关系，特别是在低速微进给情况下，这种非线性关系难以把握，可能产生所谓的尺蠖运动方式或混沌不清的极限环现象，严重破坏了对微进给、高精度、高响应能力的进给性能要求; 进一步减少两立柱间的同步误差由于摩擦存在而变得很困难。 历来都把消除或减少摩擦的不良影响，作为提高机床技术水平的努力方向之一。以往所采取的主要措施有:静压技术和采用新材料构成低摩擦运动副。在上述减摩方案的基础上，人们设计出先进的控制器，在降低摩擦的上述措施中，也取得了良好的效果[34]，但对于更高精度、快速定位要求来讲，还是不能满足要求。其根本原因在于做相对运动的摩擦运动副仍然是以直接接触的方式运行。要想从根本上彻底解决摩擦问题，唯有把两个相对运动的接触面分离开来，不直接发生接触。也就是说，把具有一定重量的运动体悬浮起来，这才是解决摩擦问题的根本出路。直线磁悬浮伺服电机—集零传动、水平推力和悬浮力控制于一身 一般，悬浮技术可分为气悬浮和磁悬浮。气悬浮缺点较多，尤其是刚度差，不宜在重型机床上应用。 旋转伺服电机的磁悬浮，需要将电机和磁浮轴承作成一体，不但技术复杂，在机床上应用时，而且还需要运动变换与传动机械，运动副间依然存在着摩擦，不是一个彻底解决问题的方案。那么，采用具有悬浮能力设计的直线电机驱动，就将零传动方式、水平推力控制与垂直力的悬浮控制集于一身，这是其它方式无法比拟的。例如，就龙门移动式数控加工中心来讲，双龙门驱动的直线电机在完成了同步直接驱动的同时，还可以充分利用与直线电机推力天生并存的垂直悬浮力，将重物举起来(就是不悬空起来，至少也可抵消大部分重量，实现减小摩擦)，用直线电机产生的推力做伺服进给驱动，用其产生的垂直力悬浮立柱—横梁，这就从根本上消除摩擦对伺服运动的影响。 在各类直线电机中，都存在着垂直力，而且较推力大得多，一般在数倍到十几倍以上。在集中研究水平推力时，往往把垂直力作为不需要的力来对待。对一般的多数直线电机来说，是不希望垂直力存在的。而在这里，垂直的悬浮力和水平推力同样重要，甚至比水平推力更重要了。而且不论低速或高速时，都需要可控的稳定的垂直悬浮力。 当运动体的重力和垂直方向上的可控的磁力平衡时，运动部件在无任何机械接触的情况下，可以稳定的悬浮在静止导轨的上方。在进给方向上，若采用直线电机直接驱动，就可以实现无间隙、无磨损、无维护、无噪声的高精度的伺服定位和快速运动，创造出暂新一代的数控机床。 当然这样一种设想要变成现实，需要做大量的工作，克服很多困难，这是不言而喻的。