基於方向場的電機驅動xy平臺輪廓加工控制裝置及方法
2023-07-31 00:28:11
專利名稱：基於方向場的電機驅動xy平臺輪廓加工控制裝置及方法
技術領域：
本發明屬於數控加工技術和控制領域，特別涉及一種基於速度場和方向場的加工精度控制裝置及方法。
背景技術：
當今世界各國裝備製造業廣泛採用數控技術提高製造能力和水平。大力發展以數控技術為核心的先進位造技術已成為世界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑之一。同時，用高效率加工方法已經成為當今製造業的迫切要求，在刀具等技術的配合下，出現了高速高精度加工的切削工具機，主要是各類加工中心和各種數控工具機。當今所謂高速高精度加工工具機，不僅要有很高的主軸切削速度，而且要有很高的進給速度和加速度，同時應當具有亞微米級以致更高的加工精度。而XY數控平臺系統的精密輪廓跟蹤控制在數控工具機中具有代表性，對提高數控系統加工精度和性能具有重要的作用。在XY平臺伺服系統中，相對於傳統的間接驅動方式，直線電機直接驅動方式具有明顯的優勢。然而，此時伺服系統對負載擾動、端部效應和摩擦力擾動等不確定性更為敏感，增加了電氣控制上的難度，使其伺服性能降低。隨著對數控系統的精度和速度的要求越來越高，對伺服控制器也提出了更高的要求。提高加工速度可以縮短加工時間，提高加工效率，然而在XY平臺實現高速加工時，若跟蹤軌跡有較劇烈的變化或者輪廓軌跡上存在較大彎曲，導致輪廓跟蹤誤差增大，嚴重影響輪廓加工精度。因此，為了在加工精度和加工速度之間取得平衡，解決XY平臺高速度和高精度之間的矛盾，探尋實現XY數控平臺的高速度、高精度控制策略尤為重要。數控系統的輪廓加工軌跡是多軸協調運動的合成結果，因此，輪廓精度的提高涉及到工具機各進給軸的動態特性和參數匹配。對於高速加工和精密加工，工具機進給系統各軸間的動態特性不同、控制系統參數不匹配是輪廓跟蹤誤差的主要來源，因此，對各軸間的動態特性進行分析是降低輪廓誤差的首要問題。外部擾動是產生輪廓跟蹤誤差的另一重要因素。在XY平臺控制系統中，加工部件質量的變化較大，對系統性能影響也較大，所以系統參數也是產生輪廓誤差的重要因素。在運動控制系統中，存在許多不確定性的非線性因素的影響，在單軸上，採用經典的PID伺服控制算法很難保證所要求的設計精度。為消除這些不良影響，設計和製造更精密的機械零件將使系統造價昂貴；然而採用廉價計算技術，適當的補償策略將使得應用相對廉價的機械零件成為可能。為了消除不確定性的影響，採用了有效的控制方案。對於一般精度而言，像PID這樣的經典線性控制策略能夠很好的滿足要求。在數控工具機的輪廓加工中，一般採用常規比例(P)型或者比例微分(PD)型控制器，它對各坐標軸的參數匹配有嚴格的限制。同時對於切削力、導軌非線性摩擦力、系統模型振動的影響，都可能嚴重地降低了整個閉環系統的控制性能。但是對於需要高精度控制的情形，由於不光滑非線性的影 響，經典的控制策略可能不再適用。隨著高精度複雜型面零件加工的不斷增加，輪廓精度已成為數控工具機(CNC)系統的重要精度指標。CNC系統的輪廓加工軌跡是多軸協調運動的合成結果，因此輪廓精度的提高涉及到工具機進給軸動態特性和參數匹配，多軸軌跡運動控制的主要目的就是保證系統的實際運動軌跡一直維持在給定的命令軌跡上。傳統方法一般設計跟蹤控制器以減少系統跟蹤誤差，但如果兩軸當中有一個軸的跟蹤誤差較大，系統的輪廓誤差也就很大，而在輪廓控制系統中輪廓誤差比跟蹤誤差更重要，輪廓精度較單軸位置精度而言更直接影響工件的加工精度，對於如何提高輪廓加工精度問題，其中一些方法是以單軸的追蹤誤差做控制目標，希望由降低單軸的跟蹤誤差來改善輪廓誤差，也就是將雙軸的輪廓控制問題簡化成各單軸的跟蹤控制問題，期望由此降低各軸跟蹤誤差，使其多軸輪廓誤差值也隨之降低實際上，輪廓誤差並不一定相應地降低，這是由於各軸系統動態響應不一致以及輸入信號不同所致，此現象在高速運動中尤其顯著。而另一些方法利用直接減小輪廓誤差的控制算法首先估算出輪廓誤差大小，然後對各個坐標運動軸進行協調控制。但對於以NURBS曲線為代表的自由軌跡輪廓加工，由於軌跡為瞬時突變的，曲率變化瞬時性較強，再利用傳統輪廓控制方法對輪廓誤差的減小效果並不明顯，且算法複雜並不實用。因此，通過建構指令軌跡的速度場，將傳統輪廓一跟蹤控制問題轉化為速度控制 問題，簡化了控制過程，但針對以NURBS曲線為代表的自由軌跡輪廓運動控制問題，速度場
難於建立。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提出一種基於方向場的電機驅動XY平臺輪廓加工控制裝置及方法，以達到轉換系統控制方式、速度誤差小，系統外部擾動小、參數變化小、魯棒性能強，輪廓加工精度高的目的。一種基於方向場的電機驅動XY平臺輪廓加工控制裝置，該裝置包括交流調壓單元、電壓調整電路、整流濾波單元、IPM逆變單元、數位訊號處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流採樣電路、位置採樣電路和IPM隔離驅動保護電路，所述的數位訊號處理器DSP內還設置有NURBS插補器、速度場控制器、IP控制器和積分器；所述的數位訊號處理器DSP內部NURBS插補器作為產生XY平臺加工輪廓軌跡的指令發生器，用於產生XY平臺系統的電機動子位置指令信號；速度場控制器用於將NURBS插補器輸出的位置指令信號轉換為速度指令信號；IP控制器用於消除XY平臺系統的X、Y軸速度誤差；積分器用於將直線電機模塊輸出的實際速度信號轉換為XY平臺系統實際的電機動子位置信號。採用基於方向場的電機驅動XY平臺輪廓加工控制裝置進行輪廓加工的方法，包括步驟如下步驟I :由數位訊號處理器DSP內的NURBS插補器計算XY軸相應的電機動子位置坐標，作為XY平臺控制系統的輸入；步驟2 :利用方向場控制將NURBS輸出的位置指令轉化為各軸的速度指令，並將這個速度指令信號送入XY平臺的控制系統；步驟3 :確定直線電機速度；步驟4 :通過光柵尺採樣電機動子速度，在數位訊號處理器DSP內比較後，執行IP控制器；
步驟5 :數位訊號處理器DSP產生六路PWM脈衝信號，驅動XY平臺的X、Y兩軸直線電機按照速度指令的方向及大小進行輪廓運動；整流濾波電路把三相交流電轉換成直流電給IPM逆變單元供電，IPM逆變單元根據DSP產生的六路PWM脈衝信號對IPM逆變單元內的六個IGBT開關元件的導通與關斷進行控制，驅動直線電機運行。步驟2中所述的利用方向場控制將NURBS輸出的位置指令轉化為各軸的速度指令，包括以下步驟步驟2-1、在二維平面內選擇一個矩形區域，選擇一個網格間距h及網格個數n，劃定這個矩形區域的網格。步驟2-2、求解每個網格點上的方向場向量，並利用方向場向量計算期望軌跡通過該網格點的速度V大小，其值為
權利要求
1.一種基於方向場的電機驅動XY平臺輪廓加工控制裝置，該裝置包括交流調壓單元、電壓調整電路、整流濾波單元、IPM逆變單元、數位訊號處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流採樣電路、位置採樣電路和IPM隔離驅動保護電路，其特徵在於所述的數位訊號處理器DSP內還設置有NURBS插補器、速度場控制器、IP控制器和積分器； 所述的數位訊號處理器DSP內部NURBS插補器作為產生XY平臺加工輪廓軌跡的指令發生器，用於產生XY平臺系統的電機動子位置指令信號；速度場控制器用於將NURBS插補器輸出的位置指令信號轉換為速度指令信號；IP控制器用於消除XY平臺系統的X、Y軸速度誤差；積分器用於將直線電機模塊輸出的實際速度信號轉換為XY平臺系統實際的電機動子位置信號。
2.採用權利要求I所述的基於方向場的電機驅動XY平臺輪廓加工控制裝置進行輪廓加工的方法，其特徵在於包括步驟如下 步驟I :由數位訊號處理器DSP內的NURBS插補器計算XY軸相應的電機動子位置坐標，作為XY平臺控制系統的輸入； 步驟2 :利用方向場控制將NURBS輸出的位置指令轉化為各軸的速度指令，並將這個速度指令信號送入XY平臺的控制系統； 步驟3 :確定直線電機速度； 步驟4 :通過光柵尺採樣電機動子速度，在數位訊號處理器DSP內比較後，執行IP控制器； 步驟5 :數位訊號處理器DSP產生六路PWM脈衝信號，驅動XY平臺的X、Y兩軸直線電機按照速度指令的方向及大小進行輪廓運動； 整流濾波電路把三相交流電轉換成直流電給IPM逆變單元供電，IPM逆變單元根據DSP產生的六路PWM脈衝信號對IPM逆變單元內的六個IGBT開關元件的導通與關斷進行控制，驅動直線電機運行。
3.根據權利要求2所述的基於方向場的電機驅動XY平臺輪廓加工控制裝置進行輪廓加工的方法，其特徵在於步驟2中所述的利用方向場控制將NURBS輸出的位置指令轉化為各軸的速度指令，包括以下步驟 步驟2-1、在二維平面內選擇一個矩形區域，選擇一個網格間距h及網格個數n，劃定這個矩形區域的網格； 步驟2-2、求解每個網格點上的方向場向量，並利用方向場向量計算期望軌跡通過該網格點的速度V大小，其值為V = 4(dxldtf +{dyldtf其中V為該網格點的速度； X為Y軸上的量； y為Y軸上的量； t為時間； 步驟2-3、當軌跡不在網格點上時，其速度可以利用特殊插值方法通過相鄰網格點的速度進行確定 ①當軌跡通過兩個相鄰網格點中間時，可以利用相鄰兩個網格點的速度V1與V2，按照下式計算
全文摘要
本發明一種基於方向場的電機驅動XY平臺輪廓加工控制裝置及方法，該裝置包括交流調壓單元、電壓調整電路、整流濾波單元、IPM逆變單元、數位訊號處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流採樣電路、位置採樣電路和IPM隔離驅動保護電路，所述的數位訊號處理器DSP內還設置有NURBS插補器、速度場控制器、IP控制器和積分器；本發明採用基於方向場理論的速度場控制器，使得給定軌跡路徑完全轉換為由速度場編碼的軌跡，轉換系統控制方式；基於速度前饋的IP控制減小速度誤差，減小了系統外部擾動和參數變化等不確定因素，從而保證了系統的強魯棒性能，提高輪廓加工精度。
文檔編號G05B19/19GK102707666SQ20121022247
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者孫益標, 李兵, 王麗梅, 趙希梅 申請人:瀋陽工業大學