直线电机点到点定位装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种直线电机点到点定位装置及方法，具体设及一种基于扩张状态观 测时间最优控制器的直线电机点到点定位装置及方法，属于直线电机运动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 直线电机，又称"电磁直线执行器"，属于"直接驱动执行器"范畴。直线电机取消了 中间传动环节，具有结构简单、响应快、精度和效率高等优点，有利于实现高速高精度点到 点定位运动和高精度轨迹跟踪直线运动性能，在现代工业、民用、医疗、交通和军事等领域 具有广泛的应用前景。
[0003] 直线电机系统由于缺少中间传动环节的缓冲作用，因此更容易受到系统参数变 化、摩擦力、负载扰动力等系统非线性因素和不确定干扰的影响，给直线电机的高精度点到 点定位控制带来很大的难度。
[0004] 为实现直线电机的高精度点到点定位控制，各种先进的控制算法被用来进行直线 电机的运动控制研究，较具代表性的有重复迭代学习控制、自适应鲁棒控制和带前馈的比 例积分微分控制等。其中带前馈的比例积分微分控制具有系统实现简单、参数调节方便和 不需要精确的系统模型等优点，但其抑制和抵抗系统非线性因素和不确定干扰的能力不 强，无法较好地实现直线电机高速高精度点到点定位控制性能。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种直线电机点到点定位装置及方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 直线电机点到点定位装置，包括基于扩张状态观测时间最优控制器、第一求差电 路、电流控制器、功率驱动放大器、电流传感器和位移传感器;所述基于扩张状态观测时间 最优控制器的输入端为所述装置的输入端，所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输出 端与第一求差电路的输入端连接，所述第一求差电路的输出端与电流控制器的输入端连 接，所述电流控制器的输出端与功率驱动放大器的输入端连接，所述功率驱动放大器的输 出端外接直线电机，所述电流传感器的输入端与功率驱动放大器的输出端连接，所述电流 传感器的输出端与第一求差电路的输入端连接，所述位移传感器的输入端外接直线电机， 所述位移传感器的输出端与基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端连接。
[000引所述基于扩张状态观测时间最优控制器包括时间最优控制器、第二求差电路和扩 张状态观测器;所述时间最优控制器的输入端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的 输入端，所述时间最优控制器的输出端与第二求差电路的输入端连接，所述第二求差电路 的输出端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输出端，所述扩张状态观测器的输入 端分别与第二求差电路的输出端W及位移传感器的输出端连接，所述扩张状态观测器的输 出端分别与时间最优控制器的输入端W及第二求差电路的输入端连接。
[0009]直线电机点到点定位装置的定位方法，包括W下步骤：
[0010] 步骤I，电流传感器采集直线电机的实际动子电流i ;
[0011] 步骤2,位移传感器采集直线电机的实际运动位移X;
[0012] 步骤3,基于扩张状态观测时间最优控制器接收直线电机的目标位置yd和实际运 动位移X，输出中间控制量Ul;
[0013] 步骤4,第一求差电路接收中间控制量m和实际动子电流i，将中间控制量m和实际 动子电流i比较后的误差值e发送到电流控制器处理，电流控制器输出实际电压控制量U;
[0014] 步骤5,功率驱动放大器接收实际电压控制量U，控制直线电机的运行。
[0015] 基于扩张状态观测时间最优控制器的处理过程为，
[0016] Al)扩张状态观测器计算直线电机实际运动位移的估计值Z1、直线电机实际运动 速度的估计值Z2和系统总和扰动的估计值Z3 ;
[0017] 具体计算公式为，
[0019] 其中，eo为Zi和X之间的误差，b为控审幢增益，0日1、0日2、0日3为扩张状态观测器增益， 化Keo, 0.25,5)为非线性函数，S为化Keo, 0.25,5)中线性段的区间长度；
[0020] fal(eo,0.25，S)的具体公式为，
[0022] 其中，a为幕指数，sgn( ?)为符号函数；
[0023] A2)时间最优控制器接收直线电机的目标位置yd并进行处理；
[0024] 时间最优控制器的处理公式为， 「一r-sgn(a), a >d
[002引 Mo二化江11(马-扣，写，/%/0叫 / -r-{a/a), a <d
[0026] a和d的公式为，
[002引其中，r和ho为控制器参数，UO为时间最优控制器的输出量；
[0029] A3)第二求差电路接收时间最优控制器的输出量uo,计算出中间控制量m;
[0030] 计算公式为，
[0031] 山=(u〇-Z3)/b。
[0032] 电流控制器中的计算公式为，
[0033] U=Kpi ? e
[0034] 其中，Kp功电流控制器的参数。
[0035] 本发明所达到的有益效果:本发明设计了一种基于扩张状态观测时间最优控制器 的直线电机点到点定位装置及方法，利用扩张状态观测器和时间最优控制器，在有效抑制 系统参数变化、摩擦力、负载扰动力等系统非线性因素和不确定干扰影响的基础上，实现直 线电机高速高精度点到点定位控制性能。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明的结构框图。
[0037] 图2是本发明中不同目标位置定位性能对比图。
[0038] 图3是本发明中对系统参数变化的抑制能力对比图。
[0039] 图4是本发明中对外部扰动的抑制能力对比图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本发明作进一步描述。W下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能W此来限制本发明的保护范围。
[0041] 如图1所示，直线电机点到点定位装置，包括基于扩张状态观测时间最优控制器、 第一求差电路、电流控制器、功率驱动放大器、电流传感器和位移传感器。
[0042] 基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端为所述装置的输入端，基于扩张状态 观测时间最优控制器的输出端与第一求差电路的输入端连接，第一求差电路的输出端与电 流控制器的输入端连接，电流控制器的输出端与功率驱动放大器的输入端连接，功率驱动 放大器的输出端外接直线电机，电流传感器的输入端与功率驱动放大器的输出端连接，电 流传感器的输出端与第一求差电路的输入端连接，位移传感器的输入端外接直线电机，位 移传感器的输出端与基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端连接。
[0043] 基于扩张状态观测时间最优控制器包括时间最优控制器、第二求差电路和扩张状 态观测器。
[0044] 时间最优控制器的输入端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端，时 间最优控制器的输出端与第二求差电路的输入端连接，第二求差电路的输出端为所述基于 扩张状态观测时间最优控制器的输出端，扩张状态观测器的输入端分别与第二求差电路的 输出端W及位移传感器的输出端连接，扩张状态观测器的输出端分别与时间最优控制器的 输入端W及第二求差电路的输入端连接。
[0045] 直线电机点到点定位装置的定位方法，包括W下步骤：
[0046] 步骤1，电流传感器采集直线电机的实际动子电流i。
[0047] 步骤2,位移传感器采集直线电机的实际运动位移X。
[0048] 步骤3,基于扩张状态观测时间最优控制器接收直线电机的目标位置yd和实际运 动位移X，输出中间控制量Ul。
[0049] 基于扩张状态观测时间最优控制器的处理过程为，
[0050] Al)扩张状态观测器计算直线电机实际运动位移的估计值Z1、直线电机实际运动 速度的估计值Z2和系统总和扰动的估计值Z3 ;
[0051] 具体计算公式为，
[(K)对其中，eo