无速度传感器的新型直线伺服电机控制方法
刘新辉，陈志华
(国防科技大学，湖南长沙410073)
摘要：分析了速度反馈在直线伺服刀架中的作用以及安装速度传感器所带来的问题，提出了不用速度传感器递区而采用微分加滤波从位移信号中分离出速度信号的方法，并进行了理论推导。最后通过实进行了验证，得出微分滤波器可以代替速度传感器的结论。实际应用表明，采用该方法既降低成本，又提高了系统的可靠性。
关键词：非圆；速度传感器；速度反馈；位移
中图分类号：TM383．4 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2009)12—0048—02
0引 言
目前，非圆截面零件的数控加工已相当普遍，如中凸变椭圆活塞外圆的车削加工就是典型的非圆加工。活塞专用数控车床由于精度高、柔性好、稳定性好而得到了广泛应用。活塞数控车床的核心部件是其高频响直线伺服刀架，目前大多数车床采用音圈式直线电动机作为驱动源。有关音圈式直线电动机的控制方法，国内有很多文献作了报道[1-4]。综合起来大概有两种控制方式：一种是基于输出反馈的控制方式，另一种是基于状态反馈的控制方式。从实践的情况来看，后者在动态响应性能和抗切削力干扰方面明显要优于前者。不过，采用状态反馈方式由于需要观察速度状态，必须采用速度传感器。而正是由于速度传感器的引入，降低了系统的可靠性，增加系统维护的负担。为此，本文采用单传感器实现状态反馈控制方式，在节约成本的同时提高系统的可靠性。
1采用速度传感器的直线伺服刀架
为了去除速度传感器，首先要弄清速度传感器在直线伺服刀架中的作用。直线伺服刀架的机械结构简图如图l所示[5]。
铁心1、磁铁、铁心2以及磁隙一起构成闭合磁路。铁心l与铁心2之间的磁隙很小，便于在磁隙中形成一个近似的匀强磁场。线圈、刀杆、弹簧、车刀固连构成伺服刀架的可动部分，这里简称为弹簧刀架。速度传感器和位置传感器用于测量弹簧刀架的速度和位移量。根据电磁理论：当在线圈中通以电流时，线圈会在磁场中受到电磁力的作用。刀杆在电磁力和弹簧弹力的共同作用下会产生轴向位移，其位移量y(t)与输入电流i(t)的关系可以表示为：
由于c值非常小，直线伺服刀架是一个小阻尼的二阶系统，其动态响应性能太差，表现为其阶跃响应超调太大和振荡次数太多，无法实现对刀架的快速精确控制。为了改善伺服系统的动态性能，引入位置环和速度环相结合的控制机制，速度环的原理框图如图2所示。
根据图2，输出位移y(t)与参考信号y(t)的传递函数关系可以表示为：
由式(2)可知，G2(s)仍然是一个典型的二阶统。ζ为阻尼系数，通过调整速度反馈增益k2，可使得阻尼系数ζ=0．7，从而可得到较理想的动态响应。通过以上分析可以看出，速度反馈的作用就是通过增加系统阻尼提高内环的动态性能。由于速度环的存在，降低了位置环控制器的设计难度，为得到高性能的伺服系统打下了基础。
2从位置传感器提取速度信号
电感式速度传感器具有结构简单、后续处理方便、信号失真小等优点，然而，电感式速度传感器也有其不足之处，主要表现为安装困难和容易损坏。电感式速度传感器及其附属电路是车床使用中重要的故障源之一。
从降低成本和提高系统可靠性出发，可以考虑不用速度传感器而从位移信号中提取速度信号。伺服刀架采用电涡流传感器检测位移信号，具有测量精度高、频带宽等优点。由于电涡流传感器输出的位移信号为模拟量，因此可以通过对位移信号的微分来获取速度信号，具体物理实现如图3所示。其中，ui(t)为来自涡流传感器的位移信号，u0(t)为速度信号输出：
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