专利名称：永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法
永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法技术领域
本发明属于高精密数控加工和控制技术领域，涉及一种用二阶滑模直接解耦控制方法来提高永磁同步电机(PMLSM)驱动悬浮平台的定位精度，具体涉及一种永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法。
背景技术：
现代制造技术正朝着高速化、精密化和模块化方向发展，信息等高新技术制造业不仅对加工设备性能如定位的精度和速度提出了越来越高的要求，而且对生产制作环境同样提出了越来越严格的要求，如光电子器件、半导体芯片等微电子产品均要求在超洁净环境下完成加工制作。
直线电机的应用取消了源动力和工作台部件之间的所有中间传动联结环节，实现了机构的直接驱动，亦即人们常说的零传动，具有传统定位工作台无法比拟的优点。由于摩擦产生粉尘污染、引起磨损等原因，这些定位工作台已经不能完全满足微电子、IT等行业产品超洁净制作环境的要求。
PMLSM悬浮平台不仅继承了直线电机零传动的优点，并且利用法向力实现动子悬浮。消除了水平方向运动的摩擦，大大减小的粉尘的产生，因此在微加工领域如半导体微细加工、电路板制造、微组装系统、光刻等场合有很好的应用前景。但是，由于水平推力和竖直法向力之间存在非线性耦合，加上负载扰动和参数不确定性等因素影响了系统的定位精度，因此对控制系统的设计提出了更高的要求。
现有的控制系统是加入反馈线性化(FL)模块将对PMLSM悬浮平台进行解耦，将其等效成SISO系统之后对其进行定位控制，但这种方法对被控对象的参数具有很强的依赖性，抗干扰能力差。本发明的控制方法不加入反馈线性化等独立的解耦模块，而是利用二阶滑模自身可以解耦的特性对水平推力和法向力进行直接解耦控制，因此降低了控制器对被控对象模型参数的依赖性。发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法。
本发明方法所采用的控制系统以一台单边有铁心永磁直线电机作为驱动，利用永磁体作为动子，线圈绕组作为定子，平行于水平轴的水平推力驱动水平方向上的运动，平行于竖直轴的法向力驱动竖直方向的运动。该控制系统包括DSP、整流滤波电路、IPM功率转换模块、电流传感器、光栅尺、光电耦合隔离电路、晶振电路、电源电路和PMLSM悬浮平台。
悬浮平台的定子位置、速度以及电流通过光栅尺和传感器测出，并将信号传达至 DSP处理器，经DSP处理运算后得到控制输入对电机进行控制。
传感器从永磁同步电机采集电流，传感器输出端至DSP的A/D转换端口，PMLSM悬浮平台接有光栅尺，光栅尺输出端接至DSP的QEP端口，DSP通过JTAG与上位机建立通信，DSP的PWM端口连接光电耦合隔离电路输入端，光电耦合隔离电路输出端连接IPM功率转换模块输入端，整流滤波电路接入IPM功率转换模块，IPM功率转换模块输出端接至PMLSM悬浮平台。
永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法，具体包括如下步骤
步骤1 采集永磁直线同步电机悬浮平台的实际位置、速度和电流信息；
通过光栅尺实时检测PMLSM悬浮平台的实际位置y = [X1, X3]τ并输入到DSP中，在DSP中计算出实际速度信号^Hx2,x4]T.电流传感器实时采集系统电流信号，并输出至DSP中；
为了得出其状态空间方程建立如
图1所示的惯性坐标系，其中，d为动子相对定子水平方向位移，σ为气隙长度，&为永磁体高度，、为槽距，Idci为槽径，τ为PM的极距，τρ 为永磁体极弧，La为每相永磁体沿Y轴的深度，Pffl为永磁体的个数，μ rec为相对磁导率，σ m 为永磁体表面磁荷密度，ω。为线圈间距，为绕组系数，W为电枢每相绕线砸数，ρ为定子极对数。考虑到定子齿槽的影响，用有效气隙％代替气隙O，oe = K。(0)0，其中K。代表卡特系数，其表达式为
权利要求
1.一种永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法，其特征在于具体包括如下步骤步骤1 采集永磁直线同步电机悬浮平台的实际位置、速度和电流信息；通过光栅尺实时检测PMLSM悬浮平台的实际位置y= [X1, 并输入到DSP中，在DSP中计算出实际速度信号电流传感器实时采集系统电流信号，并输出至DSP中； 步骤2 对位置、速度和电流信号进行运算，计算出PMLSM悬浮平台的电流控制信号； 将实际位置y和速度於进入DSP的QEP单元分别与给定的位置χ'=[χ〖,χ〗]τ和速度 ￡ = [^<]1言号进行比较得出位置和速度误差，进而计算出滑模变量s和它的导数从根据螺旋算法进行二阶滑模控制，得出电流控制器的输入信号，将定子电流采样信号送入DSP中的A/D模块，经过A/D转换后与电流控制器的输入信号进行比较，计算得出PMLSM悬浮平台的电流控制信号，电流控制器采用传统的PI控制器；步骤3 :DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，控制永磁直线同步电机悬浮平台精确定位；根据步骤2的运算出得电流控制信号，DSP的事件管理器产生相应的六路PWM脉冲信号，脉冲信号通过光电隔离耦合电路后，对智能功率模块IPM的通断进行控制，从而控制 PMLSM悬浮平台的精确定位。
2.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法，其特征在于所述步骤2具体按如下步骤执行步骤2. 1 计算位置和速度误差，进而求出滑模变量及其导数； 实际位置y = [X1, 和速度知[χ2,χ4]τ进入DSP的QEP单元分别与给定的位置 χ'=[《,灯和速度遽= [χ;,χ:]τ信号进行比较得出两轴的位置和速度误差分别为xki = *- ζ\βχ3=χ\~χ3[ex2=x2* -X2 lex4 =x4 - (10)根据误差计算出水平轴和竖直轴的滑模变量为sI — ex2+Ciexl，S2 — ex4+C2ex3(11)其中增加常数C1, C2可以任意加快收敛速率；继而根据系统状态方程和滑模变量计算出滑模变量的一阶导数#和4如下Sf = -+ C1 -= ^ + C1^ -x2 +L(X3)U1(12)轉=(為-為)+ c2(4 _ 疼)=為 _ _ G - X4 + Z2O4) - L3(X3)U2 + L4(x3)iuf +U21)(13 )考虑滑模变量的二阶导数为华=A,+B1A S^= A21+B21I^+B22ISi(14)^1=I11, A11 = A110+ δ An,Bn = B110+ δ B11 ,A21 = A210+ δ A21，B21 = B210+ δ Β21,Β22 = B220+ δ B22 ； A11Q，B11Q，A21tl是已知的标称表达δ A11, δ B11, δ A21, δ B21, δ氏2包含所有由于参数和端部效应及负载阻力变化引起的不确定性；步骤2. 2 根据螺旋算法进行二阶滑模控制，得出电流控制的输入信号；对于单输入系统二阶滑模控制问题等价于下面的不确定二阶系统有限时间稳定问题
3.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法，其特征在于该方法由嵌入DSP中的控制程序实现，具体按以下步骤进行 步骤1系统初始化； 步骤2电机动子初始定位； 步骤3允许INT1、INT2中断；步骤4启动Tl下溢中断； 步骤5中断等待； 步骤6T1中断处理； 步骤7保护中断处理； 步骤8结束所述步骤7中保护中断处理过程按以下步骤执行 步骤7-1禁止所有中断； 步骤7-2封锁IPM ； 步骤7-3中断返回。
4.根据权利要求3所述的永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法，其特征在于所述步骤6中Tl中断处理过程按以下步骤执行步骤6-1保护现场；步骤6-2判断是否进行位置调节，是进入步骤3，否则进入步骤8 ；步骤6-3位置采样，并与给定值比较后获得位置偏差；步骤6-4速度采样，并与给定值比较后获得速度偏差；步骤6-5 二阶滑模控制进行调节；步骤6-6对PMLSM悬浮平台进行电流采样；步骤6-7对电流值进行3S/2R变换；步骤6-8利用q轴/d轴电流计算水平推力/竖直法向力；步骤6-9求出推力偏差/竖直法向力作为电流调节器的输入信号；步骤6-10电流调节器进行电流调节；步骤6-11对控制器输出电流值进行2R/3S变换；步骤6-12用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得PWM信号；步骤6-13输出PWM信号驱动逆变电路；步骤6-14恢复现场；步骤6-15中断返回。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法采用的控制系统，其特征在于包括DSP、整流滤波电路、IPM功率转换模块、电流传感器、光栅尺、光电耦合隔离电路、晶振电路、电源电路和PMLSM悬浮平台；传感器输出端至DSP的A/D转换端口，PMLSM悬浮平台接有光栅尺，光栅尺输出端接至 DSP的QEP端口，DSP通过JTAG与上位机建立通信，DSP的PWM端口连接光电耦合隔离电路输入端，光电耦合隔离电路输出端连接IPM功率转换模块输入端，整流滤波电路接入IPM功率转换模块，IPM功率转换模块输出端接至PMLSM悬浮平台。
全文摘要
一种永磁直线同步电机驱动悬浮平台的直接解耦控制方法，采用的控制系统包括DSP、整流滤波电路、IPM功率转换模块、电流传感器、光栅尺、光电耦合隔离电路、晶振电路、电源电路和PMLSM悬浮平台。本发明控制方法采集永磁直线同步电机悬浮平台的实际位置、速度和电流信息；对位置、速度和电流信号进行运算，计算出PMLSM悬浮平台的电流控制信号；DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，控制永磁直线同步电机悬浮平台精确定位。本发明的控制方法不加入反馈线性化等独立的解耦模块，而是利用二阶滑模自身可以解耦的特性对水平推力和法向力进行直接解耦控制，降低了控制器对被控对象模型参数的依赖性，从而控制悬浮平台的精确定位。
文档编号H02P21/00GK102497149SQ20111039099
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者夏加宽, 孙宜标, 张桂平, 赵希梅 申请人:沈阳工业大学