专利名称：驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法
技术领域：
本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法，采用本方法对五轴联动数控系统中的复合摆头进行控制，可提高系统的伺服性能。
背景技术：
随着高新技术的发展和高精产品对零件精度要求越来越高，现代数控加工正向高速度化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自动化和高可靠性方向发展，五轴联动数控系统应运而生。五轴联动加工可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率，已成为当今世界数控机床研究与开发的热点。复合摆头是五轴联动数控机床中的关键部件，其结构和性能在很大程度上决定了整台机床的性能，对其进行良好的控制可提高系统的伺服性能，因此成为五轴联动数控机床市场竞争的焦点之一。目前，为实现复合摆头的高速高精性能，国际上一般采用先进的永磁环形力矩电机直接驱动技术。直接驱动消除了中间传动机构(齿轮减速系统等)引起的消耗及产生的限制，能直接提供推力给执行机构，具有推力大、损耗低、电气时间常数小、响应速度快等特点，可以获得很高的动态响应速度和加速度，较高的刚度和定位精度，可实现平滑的无差运动。永磁环形力矩电机将机床传动链长度缩短为零，直接驱动摆头运动，省去齿轮等各种中间环节，实现“零传动”，可得到良好的动态性能和较高的定位精度，其结构如
图1所示。永磁环形力矩电机直接驱动也有其局限性，外界及自身的任何扰动将无缓冲地作用在电机上，系统对外部扰动、参数不确定性和转矩脉动更为敏感，这是造成系统伺服性能下降的主要原因。另外，其它参数变化、位置和速度检测噪声等不确定因素都可能影响系统的稳定性和控制精度。随着复杂型零件对加工精度要求不断提高，采用传统控制方法控制策略已无法满足多轴联动数控系统中高速高精的控制要求。由于数控机床直接驱动系统不确定性(如未建模动态特性，参数变化以及外界负载扰动不确定性)，设法保持系统的稳定鲁棒性和品质鲁棒性，通过设计确定鲁棒控制器满足系统对性能指标的要求。确定鲁棒控制方法可以保证系统暂态性能，并且实现确定的跟踪精度；其缺陷是控制器采用固定的参数，所以参数不确定性不能被减小或消除。要减小最终跟踪误差，就要诉之于高增益。然而实际系统带宽有限，故可用的增益是有限制的，这决定了系统的实际跟踪误差不能任意小。所以，将参数自适应引入确定鲁棒控制技术以减小来自参数不确定项对系统稳态误差的影响。自适应控制的优点在于通过在线参数自适应， 可以减少可线性参数化的模型不确定项对系统性能的影响。因而，在不需要高增益的情况下可以获得渐近稳定并且跟踪误差趋近于零。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法。本发明驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法所采用的控制系统，包括电机、霍尔传感器、光电编码器、电流采样电路、电机位置与速度检测电路、DSP、 单路光耦隔离电路、电源电路、整流滤波电路、IPM智能功率模块；DSP外围设有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口。电机输出端分别接霍尔传感器和光电编码器输入端，霍尔传感器的输出端连接至电流采样电路输入端，电流采样电路的输出端接至DSP的ADC端口，光电编码器的输出端连接位置与速度检测电路输入端，位置与速度检测电路输出端接至DSP的QEP端口，DSP外接有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口，光耦隔离电路接至DSP的PWM端口，电源电路接至DSP的供电端口，光耦隔离电路的输出端、电源电路输出端和整理滤波电路输出端均接至IPM智能功率模块输入端，IPM智能功率模块输出端接至电机。驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法，具体步骤包括步骤1 确定驱动复合摆头的电机转子的初始相位；采用霍尔传感器测量电机的电流，将数据经电流采样电路送入DSP;采用光电编码器采集电机的转子位置和速度信号，转换为数字信号后，经位置与速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲三路脉冲信号，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数可知转子的位置偏移，确定电机转子的初始相位，并输出至DSP。由于一般永磁同步电机的电流环调节时间很短，当只考虑基波分量时，可采用d_q 轴系下的模型，令电流内环d轴电流分量id = 0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则复合A/C轴永磁环形力矩电机运动方程表示为
权利要求
1. 一种驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法，其特征在于具体步骤包括步骤1 确定驱动复合摆头的电机转子的初始相位；采用霍尔传感器测量电机的电流，将数据经电流采样电路送入DSP;采用光电编码器采集电机的转子位置和速度信号，转换为数字信号后，经位置与速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲三路脉冲信号，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数可知转子的位置偏移，确定电机转子的初始相位，并输出至DSP; 步骤2 确定电机转子的电角速度；电流信号A/D转换后，与给定电流比较，产生电流控制信号；脉冲信号送入DSP的正交编码脉冲输入单元QEP，进行四倍频处理，提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增/减计数模式，由两相脉冲的超前关系可得转子的转向，从而得出转子的电角速度； 步骤3 电流、位置和速度量在DSP内比较后，执行自适应鲁棒控制算法；具体如下1)鲁棒控制首先计算出位置输出跟踪误差，然后构建鲁棒控制项； 定义参数向量ξ = [ξ17 ξ2, ξ3, ξ4]τ = [J，B，Ac，dJT 则系统状态空间方程可表示为4=X2(9)ζγ^Ι — U — ζ2Χ2 ~ ^3^c (Xl)~ ^4 ~ ^(10)首先计算出位置输出跟踪误差e = θ-ed，定义中间量Z = SerklC(13)则如果ζ趋于0，则e也趋于0; 构建鲁棒控制项，鲁棒控制由两项构成1 1 /2Us = Usl+us2 usl = -kslz Us2 = - — h ζ4ε其中，usl是反馈稳定控制项，用来稳定标称系统；us2为鲁棒反馈控制项，用以削弱模型不确定性的影响，上式中，设计参数ksl>o，h为连续函数，满足/^i《max-m+&，ε为任意小的参数且满足式01)，i) ^K2 "^tC - }<ε(21)ii) ZUs2 ^ 02)参数辨识参数辨识采用不连续投影算法，如下i=Pr。j|(/>) τ = φζ其中Γ >0为对角矩阵，τ为自适应函数；3)可调整模型补偿将得到的估计值对系统模型进行补偿以提高系统性能，自适应鲁棒控制算法中，自适应控制项为
2.根据权利要求1所述的驱动复合摆头的环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法，其特征在于该方法由嵌入DSP中控制程序实现，具体步骤如下步骤一、系统初始化； 步骤二、电机转子初始位置； 步骤三、允许INTl、INT2中断； 步骤四、启动Tl下溢中断； 步骤五、中断等待； 步骤六、Tl中断处理； 步骤七、保护中断处理； 步骤八、结束；所述步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 步骤1禁止所有中断； 步骤2封锁IPM ； 步骤3中断返回；所述步骤六中Tl中断处理过程按以下步骤执行 步骤1保护现场；步骤2判断是否进行位置调节，是进入步骤3，否则进入步骤9 ； 步骤3位置采样，并与给定值比较后获得位置偏差； 步骤4位置ARC进行调节；步骤5转速采样，位置调节器输出信号比较后获得转速偏差；步骤6速度调节；步骤7电流采样；步骤8对电流值进行3S/2R变换；步骤9利用q轴电流计算转矩；步骤10求出转矩偏差作为电流调节器的输入信号；步骤11电流调节器进行电流调节；步骤12对控制器输出电流值进行2R/3S变换；步骤13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14恢复现场；步骤15中断返回。
3.权利要求1所述的数控加工中的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法采用的控制系统，其特征在于该控制系统包括电机、霍尔传感器、光电编码器、电流采样电路、电机位置与速度检测电路、DSP、单路光耦隔离电路、电源电路、整流滤波电路、IPM智能功率模块；DSP外围设有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接 Π ；电机输出端分别接霍尔传感器和光电编码器输入端，霍尔传感器的输出端连接至电流采样电路输入端，电流采样电路的输出端接至DSP的ADC端口，光电编码器的输出端连接位置与速度检测电路输入端，位置与速度检测电路输出端接至DSP的QEP端口，DSP外接有 Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口，光耦隔离电路接至DSP的PWM端口，电源电路接至DSP的供电端口，光耦隔离电路的输出端、电源电路输出端和整理滤波电路输出端均接至IPM智能功率模块输入端，IPM智能功率模块输出端接至电机。
全文摘要
驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法，所采用的控制系统，包括电机、霍尔传感器、光电编码器、电流采样电路、电机位置与速度检测电路、DSP、单路光耦隔离电路、电源电路、整流滤波电路、IPM智能功率模块；DSP外围设有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口。控制方法确定驱动复合摆头电机转子的初始相位；确定电机转子的电角速度；电流、位置和速度量在DSP内比较后，执行自适应鲁棒控制算法；DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动电机运行。采用自适应控制技术减小参数不确定性形成的稳态误差，提高跟踪精度。
文档编号H02P6/16GK102510251SQ201110392789
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者刘春丽, 夏加宽, 孙宜标, 赵希梅 申请人:沈阳工业大学