用負載擾動補償器並對其優化設定來提高加工精度的方法
2023-05-10 09:51:31
專利名稱：用負載擾動補償器並對其優化設定來提高加工精度的方法
技術領域：
本發明屬於數控技術領域，具體指一種利用負載擾動補償器及其參數最優化解析 設定來提高加工精度的方法。
背景技術：
近年來，高速精密驅動技術得到了很大發展，高速精密絲杆、直線電機、空氣軸承 及先進控制方法等各種新技術都陸續被應用到驅動系統。目前，多數數控工具機的進給系統 採用滾珠絲槓傳動，為了適應高速精密加工的要求，一些廠商採用了不同的措施不斷改進 滾珠絲槓的結構和性能。但滾珠絲槓驅動系統需中間環節傳動，使其傳動系統的剛度降低， 啟動和制動的能耗都用在克服中間環節的彈性變形上，尤其是細長的滾珠絲槓可使系統的 階次變高，魯棒性降低。同時，滾珠絲槓的彈性變形是數控工具機產生機械震蕩的主要根源， 中間環節間的正反間隙、摩擦及彈性變形使驅動系統的非線性誤差增大。另外，中間環節的 存在，增加了系統的慣量，使系統的響應速度變慢。因此，進一步改進高速精密滾珠絲槓驅 動系統，有著不可克服的困難。傳統的單自由度控制器在滿足系統的跟蹤性能和抗幹擾性能方面存在著矛盾，因 此不能保證系統的跟蹤性能和抗幹擾性能同時達到最優或漸進最優。這樣，在控制器參數 整定時，往往根據實際需要考慮其中一種，當同時對系統的跟蹤性能和抗幹擾性能都提出 較高要求時，只能從這兩個方面來折中考慮，這是傳統單自由度控制器存在的一大缺陷。而 二自由度控制器在參數整定時，按系統的跟蹤性能和抗幹擾性能兩方面要求來分別進行控 制器參數設計，使最後得到的控制系統在跟蹤性能和抗幹擾性能兩方面都能達到最優或漸 進最優。數控技術的發展對進給驅動系統的快速性和精度提出了很高的要求，伺服系統的 要具有寬的頻響帶寬、強的擾動抑制能力和對對象參數變化的魯棒性，以取得儘可能小的 跟隨誤差，進而取得高的輪廓加工精度。數控工具機的直線伺服系統採用直線驅動方式，消除 了機械運動變換機構所帶來的一系列不良影響，因此，在高精度、快響應的微進給伺服系統 中具有非常明顯的優勢。但這也增加了控制上的難度。負載變化等外部擾動和電機系統模 型攝動的影響表現得更加明顯。同時對精度和速度的要求又越來越高，這都對伺服控制器 提出了更高的要求。工業對象的多樣化和複雜化對伺服控制器提出了更高的要求。特別是 在永磁直線同步電機驅動的運動系統中因省去了齒輪或滾珠螺杆等，使其在精密度、可靠 性上有非常明顯的優勢，但負載變化等擾動也增加了控制上的難度。目前，航空、冶金、工業現場等最廣泛使用的還是比例-積分控制器，因其具有結 構簡單，計算容易，易維護等優點；但控制參數很難在寬廣的命令範圍內均獲得良好的魯棒 性與動態響應特性，並且一直沒有一個簡單的解析化的方法來確定PI參數的具體值。
發明內容
發明目的本發明提供一種基於負載擾動補償器及其參數最優化解析設定提高加工精度的方法，其目的在於降低負載變化等擾動對加工精度的影響，並提供一種簡單的解 析化方法確定PI負載幹擾補償器的具體值。技術方案本發明是通過以下技術方案實施的用負載擾動補償器並對其優化設定來提高加工精度的方法，其特徵在於該方法 包括(a)最優化前向控制器和PI負載幹擾補償器；(b)整個控制系統硬體部分；(a)最優化前向控制器和PI負載幹擾補償器，最優化前向控制器和PI負載幹擾補 償器分別獨立設計；其中的前向控制器採用頻域最優因子分解方法設計而成，最優的閉環特性多項式 由開路被控對象的分母因式及權重因子乘以分子因式之和所組成，其關係式為formula see original document page 5式中為Q(s)為最優化的閉環特性多項式，Dp(s)為開環傳遞函數的分母式，Np(s) 為開環傳遞函數的分子式，q為權重因子；式中Gf(s)為最優化前向控制器傳遞函數，Kf為永磁直線電機推力係數，M為系統 可動部分的全部質量，B為永磁直線電機的摩擦係數；對於PI負載幹擾補償器，採用頻域二次型性能指標為目標函數來確定最優的PI負 載補償器參數Kp0和Ki0，使得在固定的負載下Jd0為最小；利用parseval定理中信號在時間 域內的總能量與頻域內的總能量相等的原理，將時域二次型性能指標轉為頻域性能指標formula see original document page 5再由下列兩個偏微分聯立方程式組formula see original document page 5得最優的Kp 0禾日Ki 0參數值；式中Jd0為二次型性能指標，8 0r(s)為位置的偏差量，Kp0為比例增益常數；Ki0 為積分增益常數；(b)整個控制系統硬體部分包括主電路、控制電路、控制對象三部分；其中控制 電路包括DSP處理器、電流採樣電路、動子位置採樣電路、IPM隔離驅動保護電路；主電路包 括調壓電路、整流濾波單元、IPM逆變單元；控制對象為機身裝有光柵尺的三相永磁直線同 步電機。所述方法中通過控制系統硬體部分所進行的主控制程序包括以下步驟(1)系統初始化；(2)允許 TNI、TN2 中斷；(3)啟動T1下溢中斷；(4)程序數據初始化；(5)開總中斷；(6)中斷等待；
(7) TNl中斷處理子控制程序；(8)結束；其中主控制程序的步驟(7)中Tm中斷處理子控制程序按照以下步驟進行(I)Trn中斷子控制程序；(2)保護現場；(3)判斷是否已初始定位，是，進入步驟⑷；否，進入步驟(10)；(4)電流採樣，CLARK變換，PARK變換；(5)判斷是否需要位置調節，否，進入步驟(7)；(6)位置調節中斷處理子控制程序；(7)d、q軸電流調節；(8) PARK 逆變換；(9)計算 CMPPx 及 PWM 輸出；(10)位置採樣；(11)初始定位程序；(12)恢復現場；(13)中斷返回。其中Tm中斷處理子控制程序的步驟(6)位置調節中斷處理子控制程序按照以下 步驟進行(1)位置調節中斷子控制程序；(2)讀取編碼器值；(3)判斷角度；(4)計算已走距離；(5)執行位置控制器；(6)執行負載幹擾補償器；(7)計算電流命令並輸出；(8)中斷返回。優點及效果本發明的優點在於，針對永磁直線電機的特點，採用一種雙自由度的 位置控制器設計方法，以便兼顧系統瞬時響應和抗幹擾能力的需求。此外，最優化前向位置 控制器和負載幹擾補償器可以分別獨立設計，使整體系統的設計更為簡單。
圖1為本發明設計的基於PI負載幹擾補償器的定位控制系統原理示意圖；圖2為本發明所設計的前向控制器連接示意圖；圖3為本發明方法中的主控制程序流程圖；圖4為本發明方法中Tm中斷處理子控制程序流程圖；圖5為本發明方法中的位置調節中斷處理子控制程序流程圖；圖6為本發明的主電路示意圖；圖7為本發明的A、B向電流採樣電路示意圖；圖8為本發明的光柵尺信號採樣電路示意圖9為本發明的IPM隔離驅動保護電路示意圖；附圖標記說明20、霍爾電流傳感器21、調壓電路22、IPM隔離驅動保護電路23、電流採樣電路 24、動子位置採樣電路25、DSP處理器26、整流濾波單元27、IPM逆變單元28、三相永磁 直線同步電機29、光柵尺A、開關B、開關K、繼電器K1、K2、K3、觸點P、N、變頻器的整 流變換平滑濾波後的主電源輸入端子U、V、W、逆變器輸出的三相交流電輸出端子。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行具體描述圖1為本發明所設計的基於PI負載幹擾補償器的定位控制系統原理示意圖，如圖 所示，是在加載時系統期望的位置響應，、是系統實際的位置響應，G。(s)是未加入負載 幹擾補償器迴路之前控制系統閉迴路傳遞函數。S、為負載幹擾加入後產生的位置偏差 量。由於無載時，期望的位置響應沒/和實際的位置響應、相等，所以，負載幹擾位置偏差量
6、為零，使得由位置參考命令《到實際位置、之間的前向控制迴路的響應，不會受到負 載補償的影響，故前向控制器和PI負載幹擾補償器可以分別獨立設計，不會互相影響。本發明的最優化前向控制器與PI負載幹擾補償器，其中前向控制器決定系統的 瞬時響應特性，而PI負載幹擾補償器則用來改善抗幹擾能力。最優化前向控制器和PI負 載幹擾補償器分別獨立設計，並利用二次型最優的頻域方法得出PI負載幹擾補償器參數 的解析式。前向控制器廣義被控對象的傳遞函數可以表示為formula see original document page 7
其中K是速度迴路控制器的比例定值增益。由(1)可得，被控對象傳遞函數的分母式Dp (s) = Ms2+ (B+KKf) s分子式Np(s)= KKf此時最優化的閉環特性多項式可以表示為Q (s) = Dp (s) Dp (_s) +q2Np (s) Np (_s)= [Ms2+ (B+KKf) s] [Ms2- (B+KKf) s] +q2 (KKf)2 (2)上式(2)是由開路被控對象的分母式、分子因式和加權因子q所組成的四階方程 式，此多項式含有四個特性根，其中兩個特性根在左半平面，另外兩個特性根則在右半平 面，且相互對稱於虛軸，由於要求閉環系統是穩定的，所以取左半平面的兩個特性根作為最 優化系統閉環極點，此時式(1)可以重新表示為formula see original document page 7formula see original document page 7
formula see original document page 8其中，
formula see original document page 8為閉環系統位於左半
平面的極點因式。此時整個閉環系統最優化傳遞函數可以表示為 0083 Cc(s)=^(s)-qKK.f
Ms2 + KKf f + 2q(KKfM)s + q(KKf )其中N。(s)是閉環傳遞函數的分子式。則最優化位置控制器為
formula see original document page 8
PI負載幹擾補償器輸入命令為v _ n外加負載幹擾為階躍輸入&，所以formula see original document page 8此時<=0，求得此負載幹擾對位置響應的影響為
formula see original document page 8式中
formula see original document page 8故位置的偏差量蚴《⑷-《⑷=-代⑴為使位置偏差量最小，本發明以二次式
formula see original document page 8作為性能指標尋找最優的PI負載補償器參數Kp0和Ki0使得在固定的負載下Jd0 為最小，穴《為加載時輸出響應的期望值，yjt)為輸出響應的實際值，8 e Jt)為加載時輸 出響應的偏差值。但是，直接由⑶式尋找最優的補償器參數很困難，本發明利用parseval 定理中信號在時間域內的總能量與頻域內的總能量相等的原理，將時域二次型性能指標轉為頻域性能指標 formula see original document page 9
formula see original document page 9
再由routh-hurwitz數組得最小化性能指標的解析解為formula see original document page 9
再由下列兩個偏微分聯立方程式組
Sdτττ- Jde = 0 和 i = 0得最優的Kp0和Ki0參數值。圖2為本發明所設計的整個控制系統示意圖，如圖所示，整個控制系統包括主電 路、控制電路、控制對象三部分組成；主電路包括調壓電路21、整流濾波單元26、ΙΡΜ逆變單 元27 ；控制電路包括DSP處理器25、電流採樣電路23、動子位置採樣電路24、IPM隔離驅動 保護電路22 ；控制對象為裝有光柵尺29的三相永磁直線同步電機28。在IPM逆變單元27與電流採樣電路23之間還連接有霍爾電流傳感器20。圖3為本發明方法中的矢量控制系統流程圖，如圖所示，本發明方法最終由嵌入 DSP處理器25中的控制程序實現，具體步驟為(1)系統初始化；(2)允許 Tm、TN2 中斷；(3)啟動Tl下溢中斷；(4)程序數據初始化；(5)開總中斷；(6)中斷等待；(7) TNl中斷處理子控制程序；(8)結束。其中系統初始化程序包括關閉所有中斷、DSP系統初始化、變量初始化、事件管理 器初始化、AD初始化和正交編碼脈衝QEP初始化。中斷服務子程序包括保護中斷子程序和 Tl下溢中斷服務子程序。動子初始化定位、PID調節、矢量變換等都在定時器Tl下溢中斷 處理子程序中執行。IPM保護信號產生的保護中斷響應屬外部中斷，INTl中斷優先級比定時器Tl的 高。IPM會在過流、過壓等異常情況自動發出保護信號，這一信號經轉換連接到DSP處理器 25的功率驅動保護引腳PDPINTA。一旦有異常情況發生，DSP處理器25會進入保護中斷子 程序，首先禁止所有中斷，然後封鎖PMW輸出，使得三相永磁直線同步電機馬上停轉，起到 保護電機和IPM隔離驅動保護電路的作用。
矢量控制系統的順利啟動，需要知道動子的初始位置，利用軟體可以給電機的動 子通一個幅值恆定的直流電，使定子產生一個恆定的磁場，這個磁場與轉子的恆定磁場相 互作用，使電機動子運動到兩個磁鏈重合的位置。而動子初始定位、AD採樣值的讀取、電機 動子位置的計算、坐標變換、PID調節、SVPWN波形比較值的產生都在Tl下溢中斷服務子程 序中完成。圖4為本發明方法中Tm中斷處理子控制程序流程圖，如圖所示，按照以下步驟進 行(I)Trn中斷子控制程序；(2)保護現場；(3)判斷是否已初始定位，是，進入步驟⑷；否，進入步驟(10)；(4)電流採樣，CLARK變換，PARK變換；
(5)判斷是否需要位置調節，否，進入步驟(7)；(6)位置調節中斷處理子控制程序；(7)d、q軸電流調節；⑶PARK逆變換；(9)計算 CMPPx 及 PWM 輸出；(10)位置採樣；(11)初始定位程序；(12)恢復現場；(13)中斷返回。圖5為本發明方法中的位置調節中斷處理子控制程序流程圖，如圖所示，按照以 下步驟進行(1)位置調節中斷子控制程序；(2)讀取編碼器值；(3)判斷角度；(4)計算已走距離；(5)執行位置控制器；(6)執行負載幹擾補償器；(7)計算電流命令並輸出；(8)中斷返回。本發明PI負載補償器採用比例積分結構，其轉移函數如下
_7] G"⑴=■ ￥式中Kp0為比例增益常數；Ki0為積分增益常數。將上式轉成Z-域的表示為Z=Κρθ+^\λ ,,,
鬥)」 s ΓΙ
將上式轉為差分方程式為Y[(n+1)T] = (Kp θ +Ki θ) R [ (η+1) Τ] -Kp θ R [ηΤ] +Y [ηΤ]式中η = 0，1，2· · ·圖6為本發明的主電路示意圖，在試驗中，調壓電路21採用反向調壓模塊EUV-25A-II，可實現0-220V隔離調壓。整流濾波單元26採用橋式不可控整流，大電容濾 波，配合適當的阻容吸收電路，可獲得IPM逆變單元27工作所需的恆定直流電壓。IPM逆變 單元27採用富士公司6MBP50RA060智能功率模塊，耐壓600V，最大電流50Α，最高工作頻率 20kHz。IPM逆變單元27用四組獨立的15V驅動電源供電。主電源輸入端子(P，N)，輸出端 子(U，V，W)，主端子用自帶的螺釘固定，可實現電流傳輸。P、N為變頻器的整流變換平滑濾 波後的主電源輸入端子，P為正端，N為負端，逆變器輸出的三相交流電通過輸出端子U、V、 W接至電機。控制電路的核心為TMS320F2812處理器，其配套的開發板包括目標只讀存儲器、 模擬接口、eCAN接口、串行引導ROM、用戶指示燈、復位電路、可配置為RS232/RS422/RS485 的異步串口、SPI同步串口和片外256*16位RAM。在試驗中，電流採樣採用LEM公司霍爾電流傳感器LT58-57。由兩個霍爾電流傳感 器20檢測A、B相電流，得到電流信號，經過電流採樣電路23，轉換成0-3. 3V的電壓信號， 最後由TMS320LF2812的A/D轉換模塊轉換成12位精度的二進位數，並保存在數值寄存器 中。圖7為本發明的A、B向電流採樣電路示意圖，如圖所示，可調電阻VR2調節信號幅 值，可調電阻VRl調節信號偏移量，通過對這兩個電阻的調節，可以將信號調整到0-3. 3V, 再將其送入DSP處理器25的ADO、ADl管腳。圖中的穩壓管是為了防止送入DSP處理器5 的信號超過3. 3V，導致DSP處理器25被高壓損壞。運算放大器採用0P07，電源接正負15V 電壓，在電壓和地間接去耦電容。電路輸入端接電容濾波，以去除高頻信號幹擾，提高採樣 精度。圖8為本發明的光柵尺信號採樣電路示意圖，如圖所示，光柵尺29輸出的A相和 B相脈衝信號要通過快速光耦6W37對信號進行隔離，然後經過分壓電路將信號電平由5V 轉換為3. 3V，最後連接到DSP處理器25的兩路正交編碼脈衝接口 QEPl和QEP2。圖9為本發明的IPM隔離驅動保護電路示意圖，需要指出的是，IPM故障保護信號 針對的是非重複瞬態故障，在本系統中通過如下措施來實現IPM故障輸出信號通過光耦 接到DSP處理器25的PDPINTA引腳，以確保IPM隔離驅動保護電路22發生故障時DSP處 理器25及時將所有事件管理輸出腳置高阻態。
權利要求
用負載擾動補償器並對其優化設定來提高加工精度的方法，其特徵在於該方法包括(a)最優化前向控制器和PI負載幹擾補償器；(b)整個控制系統硬體部分；(a)最優化前向控制器和PI負載幹擾補償器，最優化前向控制器和PI負載幹擾補償器分別獨立設計；其中的前向控制器採用頻域最優因子分解方法設計而成，最優的閉環特性多項式由開路被控對象的分母因式及權重因子乘以分子因式之和所組成，其關係式為Q(s)＝Dp(s)Dp(-s)+q2Np(s)Np(-s)；式中為Q(s)為最優化的閉環特性多項式，Dp(s)為開環傳遞函數的分母式，Np(s)為開環傳遞函數的分子式，q為權重因子；此時最優化前向控制器為 G f ( s )= q[Ms+ ( B + KKf )] Ms+ ( B + KKf )2 + 2 q ( KK fM) ; 式中Gf(s)為最優化前向控制器傳遞函數，Kf為永磁直線電機推力係數，M為系統可動部分的全部質量，B為永磁直線電機的摩擦係數；對於PI負載幹擾補償器，採用頻域二次型性能指標為目標函數來確定最優的PI負載補償器參數KPθ和Kiθ，使得在固定的負載下Jdθ為最小；利用parseval定理中信號在時間域內的總能量與頻域內的總能量相等的原理，將時域二次型性能指標轉為頻域性能指標 J d= 1 2j -j j [ r ( s )][ r ( - s )]ds 再由下列兩個偏微分聯立方程式組 KP J d=0 和 Ki J d=0 得最優的KPθ和Kiθ參數值；式中Jdθ為二次型性能指標，δθr(s)為位置的偏差量，Kpθ為比例增益常數；Kiθ為積分增益常數；(b)整個控制系統硬體部分包括主電路、控制電路、控制對象三部分；其中控制電路包括DSP處理器、電流採樣電路、動子位置採樣電路、IPM隔離驅動保護電路；主電路包括調壓電路、整流濾波單元、IPM逆變單元；控制對象為機身裝有光柵尺的三相永磁直線同步電機。
2.根據權利要求1所述用負載擾動補償器並對其優化設定來提高加工精度的方法，其 特徵在於所述方法中通過控制系統硬體部分所進行的主控制程序包括以下步驟(1)系統初始化；(2)允許TNUTN2中斷；(3)啟動T1下溢中斷；(4)程序數據初始化；(5)開總中斷；(6)中斷等待；(7)TN1中斷處理子控制程序；(8)結束；其中主控制程序的步驟(7)中Tm中斷處理子控制程序按照以下步驟進行(1)TN1中斷子控制程序；(2)保護現場；(3)判斷是否已初始定位，是，進入步驟(4)；否，進入步驟(10)；(4)電流採樣，CLARK變換，PARK變換；(5)判斷是否需要位置調節，否，進入步驟(7)；(6)位置調節中斷處理子控制程序；(7)d、q軸電流調節；(8)PARK逆變換；(9)計算CMPPx及PWM輸出；(10)位置採樣；(11)初始定位程序；(12)恢復現場；(13)中斷返回。其中Tm中斷處理子控制程序的步驟(6)位置調節中斷處理子控制程序按照以下步驟 進行(1)位置調節中斷子控制程序；(2)讀取編碼器值；(3)判斷角度；(4)計算已走距離；(5)執行位置控制器；(6)執行負載幹擾補償器；(7)計算電流命令並輸出；(8)中斷返回。
全文摘要
用負載擾動補償器並對其優化設定來提高加工精度的方法，其特徵在於該方法包括(a)最優化前向控制器和PI負載幹擾補償器；(b)整個控制系統硬體部分。本發明方法最終由嵌入DSP處理器中的控制程序實現。本發明的優點在於針對永磁直線電機的特點，採用一種雙自由度的位置控制器設計方法，以便兼顧系統瞬時響應和抗幹擾能力的需求。此外，最優化前向位置控制器和負載幹擾補償器可以分別獨立設計，使整體系統的設計更為簡單。
文檔編號H02P6/08GK101834554SQ201010185689
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者劉春芳, 孫宜標, 武志濤, 王麗梅, 鄭浩 申請人:瀋陽工業大學