基於模糊擾動補償直接驅動xy平臺輪廓控制裝置及方法

2023-10-11 00:57:34 1

基於模糊擾動補償直接驅動xy平臺輪廓控制裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制裝置及方法，該裝置包括主電路、控制電路和控制對象三部分,主電路分別連接控制電路和控制對象，控制電路也連接控制對象；本發明的優點在於當系統輪廓誤差模型不準確，以及參數不確定時，系統仍然可以實現精確的位置跟蹤。本發明利用了模糊系統以任意精度逼近非線性函數的能力，發明了模糊擾動補償器。通過補償器對未知幹擾和參數不確定性進行估計及補償,同時利用狀態觀測器逼近並補償建模、求逆誤差，降低了控制器對幹擾器和模型精確度的要求，提高了跟蹤精度。
【專利說明】基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制裝置及方法
[0001]

【技術領域】：本發明屬於數控【技術領域】，尤其涉及一種基於模糊擾動補償直接驅動 XY平臺輪廓控制裝置及方法。

【背景技術】 [0002] ：XY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，直線電機直接驅動方式 避免了"滾珠+絲槓"的中間傳動環節，負載受到的僅是永磁直線同步電動機提供的直接推 力，消除了傳統傳動機構產生的問題。
[0003] 為了減小跟蹤誤差，許多方法應用在改進單軸跟蹤性能的控制器設計上。跟蹤誤 差大都是由伺服延遲和受到負載或外界不確定幹擾造成的，為了消除這些擾動，學者們提 出了單軸控制策略，如PID控制、神經網絡控制、自適應控制、魯棒控制等控制方法，一般來 說，應用這些方法能有效的減小單軸或解耦運動的輪廓誤差。但是當系統輪廓誤差模型不 準確，以及參數不確定時，由於傳統控制方法都要求有精確的模型對象，因此很難實現精確 的位置跟蹤。在過去的十幾年中，模糊邏輯的應用越來越廣泛，模糊邏輯系統可以任意的逼 近高階非線性系統並被認為是對非線性系統最有效的控制手段之一。同時狀態觀測器具有 較強的抗幹擾能力而得到了極為廣泛且成功的應用，然而這種狀態觀測器不能消除非連續 幹擾，如靜摩擦，因此它通常與摩擦補償相結合才能較好地抑制靜摩擦。實際上，單軸跟蹤 控制與雙軸協調性是影響XY平臺系統輪廓精度的兩個重要因素。為了提高雙軸協調性，常 常採用交叉稱合控制（cross-coupled control, CCC)減小輪廓誤差，但其分析與設計都限 制於使用線性的輪廓誤差。


【發明內容】
：
[0004] 發明目的：本發明提供一種基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制裝置及 方法，其目的是解決以往的方式所存在的效果不理想的問題。
[0005] 技術方案：本發明是通過以下技術方案來實現的：
[0006] -種基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制裝置，其特徵在於：該裝置包括 主電路、控制電路和控制對象三部分，主電路分別連接控制電路和控制對象，控制電路也 連接控制對象；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、整流濾波單元和IPM逆變單元；控制對象為三相永磁直線 同步電機，機身裝有光柵尺；電流採樣電路、動子位置採樣電路、IPM隔離驅動保護電路均 連接至DSP處理器，DSP處理器通過電壓調整電路連接至整流濾波單元，整流濾波單元連接 IPM逆變單元，IPM逆變單元連接三相永磁直線同步電機，三相永磁直線同步電機連接動子 位置採樣電路，IPM逆變單元連接IPM隔離驅動保護電路，電流採樣電路通過霍爾傳感器連 接至IPM逆變單元與三相永磁直線同步電機之間。
[0007] 利用上述的基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制裝置所實施的基於模糊 擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制方法，其特徵在於：該方法包括以下的具體步驟：
[0008] 步驟一：建立XY平臺輪廓誤差模型
[0009] PMLSM的機械運動方程式表示如下 (I)

【權利要求】
1. 一種基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制裝置，其特徵在於：該裝置包括主 電路、控制電路和控制對象三部分，主電路分別連接控制電路和控制對象，控制電路也連 接控制對象；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、整流濾波單元和IPM逆變單元；控制對象為三相永磁直線 同步電機，機身裝有光柵尺；電流採樣電路、動子位置採樣電路、IPM隔離驅動保護電路均 連接至DSP處理器，DSP處理器通過電壓調整電路連接至整流濾波單元，整流濾波單元連接 IPM逆變單元，IPM逆變單元連接三相永磁直線同步電機，三相永磁直線同步電機連接動子 位置採樣電路，IPM逆變單元連接IPM隔離驅動保護電路，電流採樣電路通過霍爾傳感器連 接至IPM逆變單元與三相永磁直線同步電機之間。
2. 利用權利要求1所述的基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制裝置所實施的 基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制方法，其特徵在於：該方法包括以下的具體步 驟： 步驟一：建立XY平臺輪廓誤差模型 PMLSM的古云云
式中為電磁推力；Kf是推力係數；i,為動子q軸電流，M是動子與所帶負載質量和； 1>為動子加速度；B描述系統粘滯摩擦係數；V是動子速度；F描述系統總擾動力； 選取x(t)和v(t)為系統狀態變量，即PMLSM的狀態方程可改寫為
式中：V⑴是電機的運動速度；u= 表示電機的控制輸入量；X⑴則為直線電機的 位置輸出，因此，直接驅動XY平臺的傳遞函數為
在XY平臺任意軌跡的輪廓跟蹤任務中，輪廓誤差模型的精度將直接影響輪廓加工的 性能，其中R1為指令路徑，Pi為實際路徑，R1U)為指令位置點，P1U)為實際位置點，而 R2(t)是指令路徑上距離P1 (t)最近的一個點，^SP1 (t)點的平均速度，點的 平均速度，％和V2分別為Ri⑴和R2⑴兩點的切線速度，下角標X，Y分別代表X軸和Y 軸，民與Ey分別為X軸和Y軸的跟蹤誤差，X軸與直線R況的夾角是α，輪廓誤差E'。為 點P1⑴到直線R1R2的距離，P為直線R1R2與X軸的夾角； 由以上這些推出
最終推導出任意軌跡輪廓誤差公式為
步驟二：模糊擾動補償器設計 輪廓加工精度易受到系統動態非線性、不確定性因素以及曲線軌跡的輪廓誤差模型相 對複雜等問題的影響，為了解決上述問題，本發明在單軸上設計了基於狀態觀測器技術及 模糊控制方法的模糊擾動補償器； 模糊擾動補償器的位置控制系統中V(Jms+Bm)為實際被控對象，+ 為通過系統 辨識得到的名義模型，TdPTd分別為轉矩指令和實際擾動負載轉矩，4是模糊擾動補償器 所提供的補償值，《"d，ω，?和△ω分別是速度指令，實際被控對象的速度，辨識出的名義 模型的輸出速度，實際被控對象與辨識出的名義模型之間的速度差，R，Ρ，A和ΛP分別是速 度指令，實際被控對象的速度，辨識出的名義模型的輸出速度，實際被控對象與辨識出的名 義模型之間的速度差，R，p，A和ΛΡ分別是參考位置命令，被控對象的實際位置，辨識出的 名義模型輸出位置，被控對象的實際位置和辨識出的名義模型輸出位置間的位置差，此外， 是速度環路控制器的比例增益和積分增益，而&是P型位置控制器；在狀態反饋控 制中，負載轉速、轉矩，軸矩等狀態量直接測量存在困難，因此需要建立模型對這些系統狀 態進行估計，即系統狀態重構問題，本申請採用反饋原理，構造與實際平臺具有相同結構 的估計模型，由於估計模型為人為建立，因此負載轉速、轉矩，軸矩等狀態量都較易測量，然 後利用觀測偏差消除狀態偏差；通過計算實際模型與估計模型輸出的位置誤差ΛΡ以及 速度誤差Λω，並將ΛΡ和Λω作為兩個輸入信號反饋回模糊控制器，模糊控制器再利用 模糊規則對兩個輸入信號進行修正，逐漸使估計的狀態值4逼近實際的狀態值，從而消除 誤差達到抑制擾動的目的；為了抑制噪聲ξ，本發明估計模型獲得的速度信息汾作為了反 饋信號，而不使用實際被控對象的速度ω; 本申請設計了模糊擾動補償器來抑制外部幹擾；模糊幹擾控制器有兩個模糊輸入和一 個模糊輸出，如圖6所示；Gap為位置差比例因子，GΛω為速度差比例因子，G。為輸出比例 因子，而心)./分別為輸入和輸出的語言變量，在本申請中，將五個模糊語言變量值分別 用於Δ/^ΡΔ?，共有25個規則用於模糊規則庫，另外，本申請採用的每個模糊規則的一般形 式可以描述為： Ruleij:If/^pisAiandifAmisBj,theny*isCij,i=I, 2, 3, 4, 5,j= 1,2, 3,4, 5, (8) 其中Ai, C^分別是語言變量Λ戶，Λυ和/的語言學術語，圖7為相關聯的隸屬 度函數； 本發明採用了Mamdani的模糊推理方法；此外，下面的去模糊化公式是用來計算的輸 出/值
其中μ(Cn)是隸屬度，(；是每個模糊集的基礎，p代表控制輸入的模糊集數量； 步驟三：輪廓控制器設計 本申請採用前饋補償控制與交叉耦合控制器相結合的改進型交叉耦合控制方法來改 善輪廓跟蹤特性，減小輪廓誤差； 其中，Kfx，Kfy為前饋補償增益；Cx，Cy為交叉耦合增益；Kpx，Kpy分別為X、Y軸的位置控 制器；X、Y軸的控制率分別為 Ux=Ec'KcCx+ExKpx+PpecxKpecx (10) Uy=EJKcCy+EyKpy+PpecyKpecy (11) 式中，X、Y軸的跟蹤誤差Ex，Ey分別為Ex=Rx-Px (12) Ey=Ry-Py (13) 式中：RX，Ry分別為X、Y軸的給定位置；Px，Py分別為X、Y軸的實際位置。
3.根據權利要求2所述的基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制方法，其特徵在 於：步驟2中狀態觀測器本質上是一個狀態估計器或稱動態補償器，其基本思路是利用容 易量測的被控對象的輸入和輸出對狀態進行估計和推測； 狀態估計的開環處理方法： 考慮線性時不變系統
基於式（8)人為地構造一個觀測器，觀測器的輸出為?，如果能滿足
則觀測器的輸出?可以作為內部狀態x(t)的估值，從而實現"狀態重構-即重新構造 "狀態又"來作為"原狀態X"的估值；觀測器的輸出無應該能由系統輸入u和系統輸出y綜 合而成（系統輸入u和系統輸出y在工程實際中容易檢測到）； t-c?只是數學上的表述，實際工程中是很快的過程（<ls);為了得到估計值無，一個 很自然的想法是構造一個模擬系統
用式（10)表示的模擬部件去再現式（8)表示的系統；因為式（10)的模擬系統是構造 的，故i是可測量的信息，若以到乍為X的估值；其估計誤差為€ = 式（10)減式（8)， 滿足方程
討論：①若A存在不具有負實部的特徵值，S=Je將不會穩定，則當初始誤差 e(0)關0，即對〇)關χ(〇)時，有,丨士[卻)-衝)]矣0，這樣戈就不能作為X的估計值，即 6= /k不能作為一個觀測器；原因是他是一個開環系統，當估計值產生誤差時，由於沒有 反饋，不能消除誤差； 改進措施如圖4所示，利用輸出的估計誤差~ =夕-)； =Ci-少作為反饋；此時構造 的動態系統，即"D·G·Luenberger狀態觀測器"的狀態方程為
觀測器的輸入為系統輸出y和輸入u的綜合i? = +Sm，觀測器的輸出為無；式中L? nXp稱為反饋增益陣；此時估計誤差g滿足的方程為
(13)表明系統存在觀測器，且觀測器的極點可以任意配置的充要條件是該系統完全能 觀，即可以選擇L，通過C陣來改變A的特徵值，使得原det(sI-A) = 0的非負實部的極點 3det(s/ -為_) =det[,s7 -(J-LC)] = 0都具有負實部的極點； 可以選擇合適的L，使！二以-LCM穩定，即特徵值。（A-LC)都具有負實部，則對任 意初值&(〇)、X(O)以及任意輸入U均有
因而X可以作為X的估值,故S=(J-LCp可作為i： =Jx+，y=Cx的一個觀測 器。
4.根據權利要求2所述的基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制方法，其特徵在 於：步驟二中：為了確定一個合適的幹擾補償值，模糊幹擾控制器是在下面規則的基礎上 設計的； 規則一：如果位置差的是PB,PS，ZR，或NS並且速度差為PB,PS，ZR，或NS，那麼所需的 幹擾補償值將增至PB或PS; 規則二：如果位置差的是NB,NS,ZR，或PS並且速度差為NB,NS,ZR，或PS，那麼所需的 幹擾補償值將增至NB或NS; 規則三：如果位置差和速度差的具有相反的符號或者位置差和速度差都接近於零，那 麼所需的幹擾補償值將在ZR處保持不變。
5. 根據權利要求4所述的基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制方法，其特徵在 於：步驟二中：本方法最終由嵌入DSP處理器中的控制程序實現，其控制過程按以下步驟執 行： 步驟1系統初始化； 步驟2允許TN1、TN2中斷； 步驟3啟動Tl下溢中斷； 步驟4程序數據初始化； 步驟5開總中斷； 步驟6中斷等待； 步驟7TNl中斷處理子控制程序； 步驟8結束。
6. 根據權利要求5所述的基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制方法，其特徵在 於： 其中步驟7中Tl中斷處理子控制程序按以下步驟： 步驟ITl中斷子控制程序； 步驟2保護現場； 步驟3判斷是否已初始定位；是進入步驟4,否則進入步驟10 ; 步驟4電流採樣，CLARK變換，PARK變換； 步驟5判斷是否需要位置調節；否則進入步驟7 ; 步驟6位置調節中斷處理子控制程序； 步驟7dq軸電流調節； 步驟8PARK逆變換； 步驟9計算CMPPx及PWM輸出； 步驟10位置採樣； 步驟11初始定位程序； 步驟12恢復現場； 步驟13中斷返回。
7. 根據權利要求6所述的基於模糊擾動補償直接驅動XY平臺輪廓控制方法，其特徵在 於： 其中步驟6中位置調節中斷處理子控制程序按以下步驟： 步驟1位置調節中斷子控制程序； 步驟2讀取編碼器值； 步驟3判斷角度； 步驟4計算已走距離； 步驟5執行位置控制器； 步驟6執行模糊擾動補償器補償外部擾動； 步驟7計算電流命令並輸出； 步驟8中斷返回。
【文檔編號】G05B19/404GK104460518SQ201410649435
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月16日 優先權日:2014年11月16日
【發明者】王麗梅, 張 傑, 鄭浩, 孫偉, 程興民 申請人:瀋陽工業大學