1 引言
数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。它的生产能力和技术水平已经是衡量一个国家制造技术水平的重要标志。为了提高加工精度和加工效率，现代数控机床进给系统必须具有较高的进给速度和进给加速度。具有高速反应能力的直线伺服进给系统一“零传动”方式便应运而生。
直线电机伺服系统与传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给方式相比，虽然消除了机械传动所带来的一些不良影响，但却增加了控制的难度。直线交流伺服电动机具有耦合性、非线性、负载扰动、时变不确定性等，难以建立精确的数学模型，使用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。而模糊控制是一种语言控制，不依赖于被控对象的数学模型，设计算法简单、易于实现，能够直接从操作者的经验归纳、优化而得到，而且适应能力好、抗干扰能力强、鲁棒性好。本文将模糊控制应用于数控机床的位置伺服中，将模糊控制技术和传统的PID控制相结合，就能够有效地解决模糊控制存在稳态误差的缺陷。
2 直线永磁同步电机
直线伺服系统中的驱动电机以永磁直线电机和直线感应电机为主。直线永磁电机和直线感应电机各有优缺点，但随着铁硼(NdFeB)等高磁能积、高矫顽力磁性材料的出现，永磁直线电机更适合用于直线伺服单元驱动。
根据直线永磁同步电机的结构和工作原理，并忽略一些次要因素，可以建立直线进给单元的传递
3 数控机床的位置控制
数控机床的直线电机伺服控制系统的基本结构。该伺服系统还是采用传统的三环控制结构，分别为位置环、速度环和电流环三部分。系统输入为上位机发送的位置指令，输出为直线电机的位移。系统通过调节电动机速度来控制位移。
其中，电流环的作用是稳定电流。即在加速中，始终保持允许的最大电流，提高系统快速性；抑制电流环内部的扰动，主要是来自电网的扰动；限制过大的电流，确保安全。速度环的作用是稳定速度。即使电动机转速跟随给定变化，稳态无静差；抑制速度环内的扰动，主要是负载的扰动。位置环的作用是保证直线电机的位移跟踪上位机发送的位置指令，要求要有高的快速响应能力和好的稳态精度。
传统的电流调节器、速度调节器采用PI调节器，位置调节器采用P调节器。经过简化后，系统的动态结构图。在速度器的输出端配置有一个低通滤波器，是用来消除由于干扰引起的存在于速度调节器输出中的高频杂波信号。
4 模糊控制器设计
通过Simulink仿真可以发现位置调节器比例增益是。对系统性能影响较大。对于一个确定的数学模型，应在保证系统稳定和不超调的情况下，尽可能的取大的位置环增益kp，以提高系统的加工轮廓精度和动态响应速度。但是由于耦合性、非线性、负载扰动等的影响，直线交流伺服电动机的模型参数发生变化，系统不再保持原有的良好性能。例如：当负载质量增大，原系统的响应速度变慢，且容易出现超调。为了提高系统的适应性，位置调节器采用基于模糊控制理论设计的自调整参数的PID控制器，从而实现过程的自适应控制。
4.1 位置调节器比例增益kp自整定原则
模糊自整定位置调节器比例增益控制器是利用模糊理论建立位置比例增益变化△尼。与控制偏差e和偏差的变化率ec间的二元关系，并根据输人e和ec自整定控制器的参数△kp，再用△尼。来修正kp。实际应用中，模糊推理过程通过查表来实现。
针对不同的控制偏差e和偏差的变化率ec，归纳出△kp的整定原则：
4.2 模糊规则表的建立
自适应模糊控制器采用e和ec为输人语言变量，△愚。为输出语言变量，e和ec、△kp的模糊集均为(NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB)，论域均为(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)，隶属函数均为三角函数。
5 仿真结果与分析
Matlab软件中的Simulink模块已成为控制领域解决非线性系统建模、分析的理想工具。本文在Simulink环境中，建立了以直线电机为伺服执行元件的自适应模糊位置控制系统的仿真模型。仿真实验中，本文所采用的直线电机参数为力常数kf=16.63Nm／A，质量m=20kg，粘滞阻尼系数B=10-5N.S／m，电枢电阻Ra=7.7Ω，电枢电感La=2.94mH，电枢时间常数T1=0.38ms，机械时间常数Tm=0.012ms，电流环比例增益Kpi=1200，速度环滤波时间常数Tσv=800肛s速度环比例增益Kv=1200，积分时间常数τ=0.126s。
传统比例位置控制和模糊控制下，当负载为13kg时，系统的阶跃响应曲线。为传统比例位置控制和模糊控制下，当负载为17kg时，系统的阶跃响应曲线。可以看出，模糊控制下的系统响应速度比传统比例位置控制下的系统响应快，还可以看出，负载增大后，传统比例位置控制下的系统响应已经出现了超调，而模糊控制还没有。既要响应快，又要没超调，这在传统比例控制下是做不到的，但模糊控制做到了。同时当负载超过17kg，传统比例位置控制系统已不能适应，而模糊控制还能适应，这也反映模糊控制系统的适应性增强。
6 结语
本文设计直线电机进给系统的模糊控制器，其算法简单易于实现。通过仿真结果表明，该智能高速进给控制器提高响应速度的同时，改善了系统的适应能力。能够适用于高速数控机床进给伺服系统。
(审核编辑: 智汇张瑜)
