近年来,高速度、高精度、高刚度和高动态响应能力的驱动系统成为高档数控机床新的发展趋势。传统的驱动技术采用以下两种方式:一是由旋转电机加滚珠丝杠和螺母副组成的直线进给伺服驱动;二是由旋转电机加精密齿轮传动或蜗轮、蜗杆副组成的旋转驱动。然而,这两种传统的驱动方式无法满足高档数控机床的高速、高精性能要求。因此,直接驱动技术在数控系统中引起了专家的广泛关注。在数控机床的驱动系统中,主要有两种直接驱动系统,一种是由力矩电动机和高速电主轴驱动的旋转直接驱动系统,另一种是以直线电动机为代表的直线直驱系统。直接驱动系统省去了伺服执行机构的机械传动环节,将伺服电动机和运动部件直接相连,因此具有动态响应速度快、定位精度高以及大的加速度和高刚度等优点。然而,机械传动机构的简化使得系统对负载扰动、电机内部结构参数的变化以及非线性摩擦和推力波动等更加敏感,从而增加了电气控制方面的难度,降低系统的伺服性能。同时,由于直线电机存在端部效应、齿槽效应等非线性因素将会大大增加系统的控制难度。非线性建模误差、位置和速度检测噪声等不确定因素都会影响系统的控制精度和稳定性。本文在国家科技重大专项“高速卧式加工中心”课题(课题编号:2009ZX04001-013-04)的支持下,以高速卧式加工中心THMS6340/THMS6350为研究对象来研究直线电机直接驱动系统的控制方法。为了实现直线电机伺服系统高精度速度和位置控制,就必须在深入研究系统的动态性能的基础上,对系统中存在的各种扰动及参数的不确定性进行有效的补偿和控制。考虑到以上因素,本文主要从以下几个方面进行了研究:(1)提出了两种适用于不确定永磁同步直线电机伺服系统的一体化速度和电流控制策略。现有的许多直线电机控制策略仅侧重于速度环和位置环控制器的设计,而没有考虑系统中电气参数对系统性能的影响。对于高精度伺服系统,这些因素对系统的控制性能是至关重要的。将系统的速度环和电流环一起考虑,分别采用自适应控制和模糊控制技术,提出了两种非线性控制策略——鲁棒自适应速度控制和自适应模糊滑模速度控制。(2)直线电机伺服系统的无传感器技术研究。在直线电机速度和位置估计中,传统的滑模观测器存在幅值和相位误差、稳态性能差等缺点。因此,提出一种新的滑模观测器。该观测器利用Sigmoid函数代替传统滑模观测器的符号函数,无需引入低通滤波器,从而从根本上解决低通滤波器带来的幅值和相位误差等问题,实现直线电机速度和位置的准确估计。(3)直线电机伺服系统的高精度定位控制。将滑模控制和自适应控制相结合,提出一种滑模自适应高精度定位控制策略。该策略充分利用滑模控制具有强鲁棒性的特点,并通过自适应方法在线估计系统中的不确定参数,以有效地降低推力波动、摩擦力和不确定参数等非线性因素对直线电机伺服系统性能的影响。(4)直线电机伺服系统的改进直接推力控制策略。传统直接推力控制中存在较大的磁链、电流和推力波动等问题,这将会降低系统的性能。为了解决上述问题,提出一种永磁同步直线电机的反步直接推力控制策略,并利用空间矢量脉冲宽度调制技术以获得恒定的开关频率。(5)永磁同步电机的非线性混沌控制方法。数控机床永磁同步电机伺服系统是复杂的非线性系统,而混沌是非线性系统的重要特征之一。当系统的参数在一定范围内变化时,系统将产生混沌现象,这将严重影响伺服系统的性能,甚至使系统崩溃。将非线性控制理论应用于抑制系统的混沌现象,提出了四种永磁同步电机的非线性混沌控制方法,包括有限时间混沌控制、部分状态有限时间混沌控制、基于控制Lyapunov函数(CLF)的混沌控制和基于非线性观测器的混沌控制等方法,其中前三种方法只考虑系统参数变化时的混沌控制策略,最后一种方法同时考虑了系统参数不确定性和外部扰动的影响。