基于模糊扰动补偿直接驱动xy平台轮廓控制装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制装置及方法，该装置包括主电路、控制电路和控制对象三部分,主电路分别连接控制电路和控制对象，控制电路也连接控制对象；本发明的优点在于当系统轮廓误差模型不准确，以及参数不确定时，系统仍然可以实现精确的位置跟踪。本发明利用了模糊系统以任意精度逼近非线性函数的能力，发明了模糊扰动补偿器。通过补偿器对未知干扰和参数不确定性进行估计及补偿,同时利用状态观测器逼近并补偿建模、求逆误差，降低了控制器对干扰器和模型精确度的要求，提高了跟踪精度。
【专利说明】基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制装置及方法
[0001]
【技术领域】：本发明属于数控【技术领域】，尤其涉及一种基于模糊扰动补偿直接驱动 XY平台轮廓控制装置及方法。
【背景技术】 [0002] ：XY平台系统的精密轮廓跟踪控制在数控机床中具有代表性，对提高数 控系统加工精度和性能具有重要的作用。在XY平台伺服系统中，直线电机直接驱动方式 避免了"滚珠+丝杠"的中间传动环节，负载受到的仅是永磁直线同步电动机提供的直接推 力，消除了传统传动机构产生的问题。
[0003] 为了减小跟踪误差，许多方法应用在改进单轴跟踪性能的控制器设计上。跟踪误 差大都是由伺服延迟和受到负载或外界不确定干扰造成的，为了消除这些扰动，学者们提 出了单轴控制策略，如PID控制、神经网络控制、自适应控制、鲁棒控制等控制方法，一般来 说，应用这些方法能有效的减小单轴或解耦运动的轮廓误差。但是当系统轮廓误差模型不 准确，以及参数不确定时，由于传统控制方法都要求有精确的模型对象，因此很难实现精确 的位置跟踪。在过去的十几年中，模糊逻辑的应用越来越广泛，模糊逻辑系统可以任意的逼 近高阶非线性系统并被认为是对非线性系统最有效的控制手段之一。同时状态观测器具有 较强的抗干扰能力而得到了极为广泛且成功的应用，然而这种状态观测器不能消除非连续 干扰，如静摩擦，因此它通常与摩擦补偿相结合才能较好地抑制静摩擦。实际上，单轴跟踪 控制与双轴协调性是影响XY平台系统轮廓精度的两个重要因素。为了提高双轴协调性，常 常采用交叉稱合控制（cross-coupled control, CCC)减小轮廓误差，但其分析与设计都限 制于使用线性的轮廓误差。
【发明内容】
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[0004] 发明目的：本发明提供一种基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制装置及 方法，其目的是解决以往的方式所存在的效果不理想的问题。
[0005] 技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0006] -种基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制装置，其特征在于：该装置包括 主电路、控制电路和控制对象三部分，主电路分别连接控制电路和控制对象，控制电路也 连接控制对象；控制电路包括DSP处理器、电流采样电路、动子位置采样电路、IPM隔离驱动 保护电路；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为三相永磁直线 同步电机，机身装有光栅尺；电流采样电路、动子位置采样电路、IPM隔离驱动保护电路均 连接至DSP处理器，DSP处理器通过电压调整电路连接至整流滤波单元，整流滤波单元连接 IPM逆变单元，IPM逆变单元连接三相永磁直线同步电机，三相永磁直线同步电机连接动子 位置采样电路，IPM逆变单元连接IPM隔离驱动保护电路，电流采样电路通过霍尔传感器连 接至IPM逆变单元与三相永磁直线同步电机之间。
[0007] 利用上述的基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制装置所实施的基于模糊 扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制方法，其特征在于：该方法包括以下的具体步骤：
[0008] 步骤一：建立XY平台轮廓误差模型
[0009] PMLSM的机械运动方程式表示如下 (I)
【权利要求】
1. 一种基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制装置，其特征在于：该装置包括主 电路、控制电路和控制对象三部分，主电路分别连接控制电路和控制对象，控制电路也连 接控制对象；控制电路包括DSP处理器、电流采样电路、动子位置采样电路、IPM隔离驱动 保护电路；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为三相永磁直线 同步电机，机身装有光栅尺；电流采样电路、动子位置采样电路、IPM隔离驱动保护电路均 连接至DSP处理器，DSP处理器通过电压调整电路连接至整流滤波单元，整流滤波单元连接 IPM逆变单元，IPM逆变单元连接三相永磁直线同步电机，三相永磁直线同步电机连接动子 位置采样电路，IPM逆变单元连接IPM隔离驱动保护电路，电流采样电路通过霍尔传感器连 接至IPM逆变单元与三相永磁直线同步电机之间。
2. 利用权利要求1所述的基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制装置所实施的 基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制方法，其特征在于：该方法包括以下的具体步 骤： 步骤一：建立XY平台轮廓误差模型 PMLSM的古云云
式中为电磁推力；Kf是推力系数；i,为动子q轴电流，M是动子与所带负载质量和； 1>为动子加速度；B描述系统粘滞摩擦系数；V是动子速度；F描述系统总扰动力； 选取x(t)和v(t)为系统状态变量，即PMLSM的状态方程可改写为
式中：V⑴是电机的运动速度；u= 表示电机的控制输入量；X⑴则为直线电机的 位置输出，因此，直接驱动XY平台的传递函数为
在XY平台任意轨迹的轮廓跟踪任务中，轮廓误差模型的精度将直接影响轮廓加工的 性能，其中R1为指令路径，Pi为实际路径，R1U)为指令位置点，P1U)为实际位置点，而 R2(t)是指令路径上距离P1 (t)最近的一个点，^SP1 (t)点的平均速度，点的 平均速度，％和V2分别为Ri⑴和R2⑴两点的切线速度，下角标X，Y分别代表X轴和Y 轴，民与Ey分别为X轴和Y轴的跟踪误差，X轴与直线R况的夹角是α，轮廓误差E'。为 点P1⑴到直线R1R2的距离，P为直线R1R2与X轴的夹角； 由以上这些推出
最终推导出任意轨迹轮廓误差公式为
步骤二：模糊扰动补偿器设计 轮廓加工精度易受到系统动态非线性、不确定性因素以及曲线轨迹的轮廓误差模型相 对复杂等问题的影响，为了解决上述问题，本发明在单轴上设计了基于状态观测器技术及 模糊控制方法的模糊扰动补偿器； 模糊扰动补偿器的位置控制系统中V(Jms+Bm)为实际被控对象，+ 为通过系统 辨识得到的名义模型，TdPTd分别为转矩指令和实际扰动负载转矩，4是模糊扰动补偿器 所提供的补偿值，《"d，ω，?和△ω分别是速度指令，实际被控对象的速度，辨识出的名义 模型的输出速度，实际被控对象与辨识出的名义模型之间的速度差，R，Ρ，A和ΛP分别是速 度指令，实际被控对象的速度，辨识出的名义模型的输出速度，实际被控对象与辨识出的名 义模型之间的速度差，R，p，A和ΛΡ分别是参考位置命令，被控对象的实际位置，辨识出的 名义模型输出位置，被控对象的实际位置和辨识出的名义模型输出位置间的位置差，此外， 是速度环路控制器的比例增益和积分增益，而&是P型位置控制器；在状态反馈控 制中，负载转速、转矩，轴矩等状态量直接测量存在困难，因此需要建立模型对这些系统状 态进行估计，即系统状态重构问题，本申请采用反馈原理，构造与实际平台具有相同结构 的估计模型，由于估计模型为人为建立，因此负载转速、转矩，轴矩等状态量都较易测量，然 后利用观测偏差消除状态偏差；通过计算实际模型与估计模型输出的位置误差ΛΡ以及 速度误差Λω，并将ΛΡ和Λω作为两个输入信号反馈回模糊控制器，模糊控制器再利用 模糊规则对两个输入信号进行修正，逐渐使估计的状态值4逼近实际的状态值，从而消除 误差达到抑制扰动的目的；为了抑制噪声ξ，本发明估计模型获得的速度信息汾作为了反 馈信号，而不使用实际被控对象的速度ω; 本申请设计了模糊扰动补偿器来抑制外部干扰；模糊干扰控制器有两个模糊输入和一 个模糊输出，如图6所示；Gap为位置差比例因子，GΛω为速度差比例因子，G。为输出比例 因子，而心)./分别为输入和输出的语言变量，在本申请中，将五个模糊语言变量值分别 用于Δ/^ΡΔ?，共有25个规则用于模糊规则库，另外，本申请采用的每个模糊规则的一般形 式可以描述为： Ruleij:If/^pisAiandifAmisBj,theny*isCij,i=I, 2, 3, 4, 5,j= 1,2, 3,4, 5, (8) 其中Ai, C^分别是语言变量Λ户，Λυ和/的语言学术语，图7为相关联的隶属 度函数； 本发明采用了Mamdani的模糊推理方法；此外，下面的去模糊化公式是用来计算的输 出/值
其中μ(Cn)是隶属度，(；是每个模糊集的基础，p代表控制输入的模糊集数量； 步骤三：轮廓控制器设计 本申请采用前馈补偿控制与交叉耦合控制器相结合的改进型交叉耦合控制方法来改 善轮廓跟踪特性，减小轮廓误差； 其中，Kfx，Kfy为前馈补偿增益；Cx，Cy为交叉耦合增益；Kpx，Kpy分别为X、Y轴的位置控 制器；X、Y轴的控制率分别为 Ux=Ec'KcCx+ExKpx+PpecxKpecx (10) Uy=EJKcCy+EyKpy+PpecyKpecy (11) 式中，X、Y轴的跟踪误差Ex，Ey分别为Ex=Rx-Px (12) Ey=Ry-Py (13) 式中：RX，Ry分别为X、Y轴的给定位置；Px，Py分别为X、Y轴的实际位置。
3.根据权利要求2所述的基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制方法，其特征在 于：步骤2中状态观测器本质上是一个状态估计器或称动态补偿器，其基本思路是利用容 易量测的被控对象的输入和输出对状态进行估计和推测； 状态估计的开环处理方法： 考虑线性时不变系统
基于式（8)人为地构造一个观测器，观测器的输出为?，如果能满足
则观测器的输出?可以作为内部状态x(t)的估值，从而实现"状态重构-即重新构造 "状态又"来作为"原状态X"的估值；观测器的输出无应该能由系统输入u和系统输出y综 合而成（系统输入u和系统输出y在工程实际中容易检测到）； t-c?只是数学上的表述，实际工程中是很快的过程（<ls);为了得到估计值无，一个 很自然的想法是构造一个模拟系统
用式（10)表示的模拟部件去再现式（8)表示的系统；因为式（10)的模拟系统是构造 的，故i是可测量的信息，若以到乍为X的估值；其估计误差为€ = 式（10)减式（8)， 满足方程
讨论：①若A存在不具有负实部的特征值，S=Je将不会稳定，则当初始误差 e(0)关0，即对〇)关χ(〇)时，有,丨士[却)-冲)]矣0，这样戈就不能作为X的估计值，即 6= /k不能作为一个观测器；原因是他是一个开环系统，当估计值产生误差时，由于没有 反馈，不能消除误差； 改进措施如图4所示，利用输出的估计误差~ =夕-)； =Ci-少作为反馈；此时构造 的动态系统，即"D·G·Luenberger状态观测器"的状态方程为
观测器的输入为系统输出y和输入u的综合i? = +Sm，观测器的输出为无；式中L? nXp称为反馈增益阵；此时估计误差g满足的方程为
(13)表明系统存在观测器，且观测器的极点可以任意配置的充要条件是该系统完全能 观，即可以选择L，通过C阵来改变A的特征值，使得原det(sI-A) = 0的非负实部的极点 3det(s/ -為_) =det[,s7 -(J-LC)] = 0都具有负实部的极点； 可以选择合适的L，使！二以-LCM稳定，即特征值。（A-LC)都具有负实部，则对任 意初值&(〇)、X(O)以及任意输入U均有
因而X可以作为X的估值,故S=(J-LCp可作为i： =Jx+，y=Cx的一个观测 器。
4.根据权利要求2所述的基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制方法，其特征在 于：步骤二中：为了确定一个合适的干扰补偿值，模糊干扰控制器是在下面规则的基础上 设计的； 规则一：如果位置差的是PB,PS，ZR，或NS并且速度差为PB,PS，ZR，或NS，那么所需的 干扰补偿值将增至PB或PS; 规则二：如果位置差的是NB,NS,ZR，或PS并且速度差为NB,NS,ZR，或PS，那么所需的 干扰补偿值将增至NB或NS; 规则三：如果位置差和速度差的具有相反的符号或者位置差和速度差都接近于零，那 么所需的干扰补偿值将在ZR处保持不变。
5. 根据权利要求4所述的基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制方法，其特征在 于：步骤二中：本方法最终由嵌入DSP处理器中的控制程序实现，其控制过程按以下步骤执 行： 步骤1系统初始化； 步骤2允许TN1、TN2中断； 步骤3启动Tl下溢中断； 步骤4程序数据初始化； 步骤5开总中断； 步骤6中断等待； 步骤7TNl中断处理子控制程序； 步骤8结束。
6. 根据权利要求5所述的基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制方法，其特征在 于： 其中步骤7中Tl中断处理子控制程序按以下步骤： 步骤ITl中断子控制程序； 步骤2保护现场； 步骤3判断是否已初始定位；是进入步骤4,否则进入步骤10 ; 步骤4电流采样，CLARK变换，PARK变换； 步骤5判断是否需要位置调节；否则进入步骤7 ; 步骤6位置调节中断处理子控制程序； 步骤7dq轴电流调节； 步骤8PARK逆变换； 步骤9计算CMPPx及PWM输出； 步骤10位置采样； 步骤11初始定位程序； 步骤12恢复现场； 步骤13中断返回。
7. 根据权利要求6所述的基于模糊扰动补偿直接驱动XY平台轮廓控制方法，其特征在 于： 其中步骤6中位置调节中断处理子控制程序按以下步骤： 步骤1位置调节中断子控制程序； 步骤2读取编码器值； 步骤3判断角度； 步骤4计算已走距离； 步骤5执行位置控制器； 步骤6执行模糊扰动补偿器补偿外部扰动； 步骤7计算电流命令并输出； 步骤8中断返回。
【文档编号】G05B19/404GK104460518SQ201410649435
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月16日 优先权日:2014年11月16日
【发明者】王丽梅, 张 杰, 郑浩, 孙伟, 程兴民 申请人:沈阳工业大学