高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法及装置，本发明控制方法采用模糊滑模控制器，在趋近运动段采用指数趋近律，在滑模运动段采用模糊控制实现滑模的切换控制，使系统具有较好的鲁棒性和抗干扰能力，减小系统运行速度的抖振现象，加快系统的响应速度；本发明控制装置包括DSP数字信号处理器单元、A/D模块、整流滤波模块、直线电机、IPM智能功率模块、编码器、传感器、电流检测模块、光电隔离模块和故障检测模块等。
【专利说明】
[0001] 高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法及装置
技术领域
[0002] 本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种应用于高精数控机床上的控制直线伺服 系统运行速度的方法及其装置。
【背景技术】
[0003] 随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，对现代机床各项性能提出 了越来越高的要求，因而传统的进给系统，诸如"旋转伺服电机+滚珠丝杜"技术已难以满足 高精度数控机床对最大进给速度和定位精度的要求。直线电机因其无需中间机械变换装置 即可产生直线机械运动的优点，而被广泛地应用于各种直线运动的场合，尤其是以高效率 和高精度为基本特征的高速加工领域。但是，直线电机特有的这种传动方式会使系统参数 的变化及各种不确定扰动直接作用在直线电机上，大大增加系统的控制难度，影响到系统 性能。因此，对直线伺服系统控制策略的研究显得尤为重要。
[0004] 目前对直线伺服系统采取的控制策略主要包括:传统控制方法、现代控制方法和 智能控制方法。但是在现代工业的实际应用中，无论是以PID控制为代表的传统控制策略， 还是鲁棒控制、自适应控制、H〇〇等现代控制策略，或者是单纯的智能控制策略都存在一些 问题，例如:推力波动大、精度不够高、鲁棒性差等，均难以达到理想的控制效果，不能满足 高性能直线伺服系统的要求。
【发明内容】
[0005] 针对以上现有技术存在的不足，本发明提供一种用于高精数控机床的控制直线伺 服系统运行速度的方法及装置，能够明显减小推力波动、加快系统响应速度、增强系统的鲁 棒性。
[0006] 本发明的技术方案之一是： 一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的装置，该装置包括整流滤波模 块、IPM智能功率模块、直线电机(PMLSM)、DSP数字信号处理器单元、A/D模块、故障检测保护 模块、光电隔离模块、电流检测模块、编码器、传感器、键盘显示。
[0007] 所述DSP数字信号处理器单元包括:存储器、时钟、振荡器和锁相环、看门狗模块、 CPU定时、通用输入/输出口（GPI0)，外围中断扩展PIE、通用定时器、比较单元、P丽电路、正 交编码脉冲QEP电路、串行通信接口、软件存储器、驱动器。
[0008] 所述软件存储器和驱动器用于实现PI调节控制器和模糊滑模控制器的功能，并用 于给定系统磁链、给定直线电机的运动速度和位置。
[0009] 所述整流滤波模块连接至IPM智能功率模块，IPM智能功率模块连接至直线电机 (PMLSM)，另一方面，电流检测模块采集IPM智能功率模块输出的相电流，并将采集的信号传 递给DSP数字信号处理器单元中的A/D模块;所述传感器通过编码器与直线电机(PMLSM)连 接，并与DSP数字信号处理器单元连接，检测直线电机的速度与位置，并将其转变为电信号 传递给DSP数字信号处理器单元;所述DSP数字信号处理器单元与所述IPM智能功率模块之 间连接有光电隔离模块以及故障检测保护模块，故障检测保护模块的作用主要是对整流滤 波模块及IPM智能功率模块进行检测保护;DSP数字信号处理器单元还与外部的键盘显示相 连接，键盘显示的作用是数据输入和显示。
[0010]本发明的技术方案之二是： 一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，所述控制方法包括以下 步骤： 步骤1，对直线电机的位置、速度等初始值进行设置； 步骤2，DSP数字信号处理器单元对上述初始值进行循环扫描处理，执行中断程序； 步骤3,在没有故障的情况下，DSP数字信号处理器单元读取电流检测模块传感器采集 到的信号并进行处理，计算系统估计磁链和系统估计推力的大小； 步骤4，DSP数字信号处理器单元将采集到的直线电机速度信号通过模糊滑模控制器处 理，得到系统实际推力，再经过PI调节控制器的处理，得出磁链偏差角，将磁链偏差角与之 前得到的系统估计磁链相加，得到预测电压矢量，并作为IPM智能功率模块的输入控制信 号； 步骤5，IPM智能功率模块根据上述预测电压矢量控制直线电机运行，系统进入下一个 循环周期。
[0011] 所述一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，在趋近运动段 采用指数趋近律，使系统的运行速度快速到达切换面，在滑模运动段采用模糊控制实现滑 模的切换控制，可减小系统运行的抖振现象。该控制方法将模糊控制与滑模控制相结合，设 计一种模糊滑模控制器，并采用电压预测的方式实现了对直线电机直接推力的控制。
[0012] 所述模糊滑模控制器的设计步骤如下： 步骤1，确定模糊滑模控制器的输入:将直线电机的给定速度、直线电机的实际速度、直 线电机的给定速度与实际速度的误差及直线电机给定速度与实际速度的误差变化率作为 模糊滑模控制器的输入； 步骤2,设计滑模面； 步骤3,选取指数趋近律； 步骤4，确定滑模切换控制量； 步骤5，验证系统的稳定性； 步骤6，确定模糊控制的模糊集： 步骤7,设计模糊规则； 步骤8，进行反模糊化； 步骤9，确定输出，得出系统实际推力。
[0013] 所述一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，其完整的控制 过程包括如下步骤： 步骤1，输入直线电机初始参数及直线电机的给定速度、系统给定磁链； 步骤2,对逆变器输出的电压、电流进行坐标变换，从而进行系统磁链和推力的估算，得 到系统估计磁链和系统估计推力； 步骤3,进行上述模糊滑模控制器的设计步骤，得出系统实际推力； 步骤4,根据系统实际推力与系统估计推力得出推力偏差； 步骤5:将推力偏差进行PI调节，得出磁链偏差角； 步骤6:将上述磁链偏差角、系统给定磁链、系统估计磁链作为输入，进行参考电压预 测，得出预测电压矢量； 步骤7:通过预测电压矢量控制SVPWM(空间矢量脉宽调制），从而控制逆变器； 步骤8:逆变器输出的电压控制直线电机的运动，然后进入下一个控制周期。
[0014] 本发明的有益效果： 1、 本发明采用直接推力控制方式，减少了复杂的坐标变换； 2、 本发明控制方法在趋近运动段采用指数趋近律，使系统快速到达切换面，在滑模运 动段采用模糊控制实现滑模的切换控制，可减小系统运行的抖振现象； 3、 本发明采用模糊控制和滑模控制相结合的控制方法，加快系统的运行速度响应时 间，提高了系统的鲁棒性。
[0015]
【附图说明】
[0016] 图1为本发明控制装置的硬件系统框图； 图2为本发明控制方法的系统框图； 图3为本发明控制方法的主程序流程图； 图4为本发明控制方法的系统中断程序流程图。
[0017]图中：V*-直线电机的给定速度;V-直线电机的实际速度;F*-系统实际推力； F-系统估计推力；Φ*-系统给定磁链;Φ-系统估计磁链;ei-直线电机的给定速度与实 际速度的误差;e2-直线电机给定速度与实际速度的误差变化率;u f-滑模切换控制输出； ueq-滑模等效控制输出;FC-模糊控制;SMC-滑模变结构控制。
[0018]
【具体实施方式】
[0019] 为了进一步了解本发明的内容，下面结合附图并举实例对本发明进行详细描述。
[0020] 如图1所示，本发明一种应用于高精数控机床的直线伺服系统运行速度的控制装 置，其包括:整流滤波模块、IPM智能功率模块、直线电机(PMLSM)、DSP数字信号处理器单元、 A/D模块(图中未标出）、故障检测保护模块、光电隔离模块、电流检测模块、编码器、传感器、 键盘显不〇
[0021] 整流滤波模块连接至IP Μ智能功率模块，IP Μ智能功率模块连接至直线电机 (PMLSM)，另一方面，电流检测模块采集ΙΡΜ智能功率模块输出的相电流，并将采集的信号传 递给DSP数字信号处理器单元中的A/D模块（图中未标出）；传感器通过编码器与直线电机 (PMLSM)连接，并与DSP数字信号处理器单元相连接，检测直线电机的速度与位置，并将其转 变为电信号传递给DSP数字信号处理器单元;所述DSP数字信号处理器单元与所述ΙΡΜ智能 功率模块之间连接有光电隔离模块以及故障检测保护模块，故障检测保护模块的作用主要 是对整流滤波模块及ΙΡΜ智能功率模块进行检测保护;DSP数字信号处理器单元还与外部的 键盘显示相连接，键盘显示的作用是数据输入和显示。
[0022] 所述DSP数字信号处理器单元包括:存储器、时钟、振荡器和锁相环、看门狗模块、 CPU定时、通用输入/输出口（GPI0)，外围中断扩展PIE、通用定时器、比较单元、P丽电路、正 交编码脉冲QEP电路、串行通信接口、软件存储器、驱动器。
[0023] 所述软件存储器和驱动器用于实现PI调节控制器和模糊滑模控制器的功能，并用 于给定系统磁链、给定直线电机的运动速度和位置。
[0024] 本发明设计了一种应用于高精数控机床的直线伺服系统运行速度的控制方法，所 述控制方法具体包括以下步骤： 步骤1，对直线电机的位置、速度等初始值进行设置； 步骤2，DSP数字信号处理器单元对上述初始值进行循环扫描处理，执行中断程序； 步骤3,在没有故障的情况下，DSP数字信号处理器单元读取电流检测模块和传感器采 集到的信号并进行处理，计算系统估计磁链和系统估计推力的大小； 步骤4，DSP数字信号处理器单元将采集到的直线电机速度信号通过模糊滑模控制器处 理，得到系统实际推力，再经过PI调节控制器的处理，得出磁链偏差角，将磁链偏差角与之 前得到的系统估计磁链相加，得到预测电压矢量，并作为IPM智能功率模块的输入控制信 号； 步骤5，IPM智能功率模块根据上述预测电压矢量控制直线电机运行，系统进入下一个 循环周期。
[0025]如图2所示，所述控制方法采用模糊滑模控制器，将滑模变结构控制SMC和模糊控 制FC相结合。所述模糊滑模控制器将滑模变结构控制SMC作为前向通道控制，将直线电机的 运动速度作为滑模变结构控制SMC的输入，得到滑模等效控制输出u eq，在趋近运动段采用指 数趋近律，当系统受到外界扰动时，可快速跟踪给定信号，响应速度快;所述控制方法通过 模糊控制FC实现滑模切换控制，将直线电机运动给定速度与实际速度的误差 ei及其变化率 e2作为模糊控制FC的输入，通过模糊规则模糊推理和反模糊化得到模糊控制FC的输出，即 是滑模切换控制输出Uf。
[0026]上述模糊滑模控制器的设计步骤如下： 步骤1:确定模糊滑模控制器的输入:将直线电机的给定速度V*、直线电机的实际速度 V、直线电机的给定速度与实际速度的误差的及直线电机给定速度与实际速度的误差变化 率e2作为模糊滑模控制器的输入；
步骤2:设计滑模面为k 一…， 步骤3:选取指数趋近律： w
^ 步骤4:确定滑模切换控制量:us = -|sgn(s);
步骤5:验证其稳定性:取Lyapunov函数为： 求导得：
将
，+ ^ - - oy· ·\ 入可得：
因为ξ、Κ为大于0的常数， 0
i成立，证明系统在模糊滑模控制器的作用下是稳定的； 步骤6:确定模糊控制的模糊集： s={NB ΝΜ ΓΤ % m
us={NB NM NS ZO PS PM PB} 步骤7:依据if(E is A)and(Ec is B)then(k is C)设计模糊规则； 步骤8:采用
进行反模糊化； 步骤9:确定输出:得出系统实际推力F*。
[0027] 如图2所示，本发明一种应用于高精数控机床的直线伺服系统运行速度的控制方 法，其完整的控制过程即实现方法包括如下步骤： 步骤1:输入直线电机初始参数及直线电机的给定速度V*、系统给定磁链Φ*; 步骤2:对逆变器输出的电压、电流进行坐标变换，从而进行系统磁链和推力的估算，得 到系统估计磁链Φ和系统估计推力F; 步骤3:进行上述模糊滑模控制器的设计步骤，得出系统实际推力F*; 步骤4:根据系统实际推力F*与系统估计推力F得出推力偏差； 步骤5:将推力偏差进行PI调节，得出磁链偏差角； 步骤6:将上述磁链偏差角、系统给定磁链Φ*、系统估计磁链ιΗ乍为输入，进行参考电压 预测，得出预测电压矢量； 步骤7:通过预测电压矢量控制SVPWM(空间矢量脉宽调制），从而控制逆变器； 步骤8:逆变器输出的电压控制直线电机的运动，然后进入下一个控制周期。
[0028] 如图3所示，为本发明控制方法的主程序流程如下，包括:系统初始化，寄存器和变 量的初始化，中断初始化，读取传感器检测的初始值，故障检测，开中断，执行中断控制子程 序，关中断，进入下一个循环。其中，故障检测主要是对传感器检测到的数值信号进行故障、 过流判断，若是存在故障，进行故障处理，故障处理完成后返回上一步重新进行检测，再进 行故障检测，直至无故障则执行下一步。
[0029] 如图4所示，为本发明控制方法的中断程序流程如下，包括:开中断，保存变量，坐 标变换，估算推力和磁链，调用模糊滑模控制器，调用PI控制器，调用电压预测程序，执行 SVPWM模块，数据保存，中断返回。其中坐标变换主要是对采集到的逆变器输出的相电流进 行Clark变换;估算推力和磁链是对变换所得到的电流值进行计算，得到系统估计磁链Φ和 系统估计推力F;调用模糊滑模控制器主要是以直线电机的给定速度V*、检测得到的直线电 机的实际速度V、直线电机的给定速度与实际速度的误差 ei、直线电机给定速度与实际速度 的误差变化率e2为输入值，通过前面所述的控制算法进行处理，得到系统实际推力F*;调用 PI控制器主要是对所述系统实际推力F*和系统估计推力F进行处理，得到磁链偏差角；调 用电压预测程序主要是以所述的磁链偏差角、系统估计磁链Φ、系统估计推力F为输入，通过 处理得到预测电压矢量;执行SVPWM模块主要是通过电压空间矢量直接生成三相PWM波，完 成对电机的控制。
[0030]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的装置，包括:整流滤波模块、IPM 智能功率模块、直线电机、DSP数字信号处理器单元、A/D模块、故障检测保护模块、光电隔离 模块、电流检测模块、编码器、传感器、键盘显示;所述整流滤波模块连接至IPM智能功率模 块，IPM智能功率模块连接至直线电机，所述电流检测模块采集IPM智能功率模块输出的相 电流，并将采集的信号传递给DSP数字信号处理器单元中的A/D模块;所述传感器通过编码 器与直线电机连接，并与DSP数字信号处理器单元连接，将直线电机的速度与位置信号传递 给DSP数字信号处理器单元;所述DSP数字信号处理器单元与所述IPM智能功率模块之间连 接有光电隔离模块以及故障检测保护模块;所述DSP数字信号处理器单元还与外部的键盘 显示相连接;其特征在于，所述DSP数字信号处理器单元包括软件存储器和驱动器，用于实 现PI调节控制器和模糊滑模控制器的功能。2. 根据权利要求1所述的高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的装置，其特征 在于，所述DSP数字信号处理器单元还包括：存储器、时钟、振荡器和锁相环、看门狗模块、 CPU定时、通用输入/输出口，外围中断扩展PIE、通用定时器、比较单元、pmi电路、正交编码 脉冲QEP电路、串行通信接口。3. -种高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，其特征在于包括以下步 骤： 步骤1，对直线电机的位置、速度等初始值进行设置； 步骤2，DSP数字信号处理器单元对上述初始值进行循环扫描处理，执行中断程序； 步骤3,在没有故障的情况下，DSP数字信号处理器单元读取电流检测模块和传感器采 集到的信号并进行处理，计算系统估计磁链和系统估计推力的大小； 步骤4，DSP数字信号处理器单元将采集到的直线电机速度信号通过模糊滑模控制器处 理，得到系统实际推力，再经过PI调节控制器的处理，得出磁链偏差角，将磁链偏差角与之 前得到的系统估计磁链相加，得到预测电压矢量，并作为IPM智能功率模块的输入控制信 号； 步骤5，IPM智能功率模块根据上述预测电压矢量控制直线电机运行，系统进入下一个 循环周期。4. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法将模糊控制与滑模控制 相结合，设计一种模糊滑模控制器，所述模糊滑模控制器在系统趋近运动段采用指数趋近 律，在系统滑模运动段采用模糊控制实现滑模的切换控制，采用电压预测的方式实现了直 线电机的直接推力控制。5. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述模糊滑模控制器的设计步骤如 下： 步骤1，确定模糊滑模控制器的输入:将直线电机的给定速度、直线电机的实际速度、直 线电机的给定速度与实际速度的误差及直线电机给定速度与实际速度的误差变化率作为 模糊滑模控制器的输入； 步骤2,设计滑模面； 步骤3,选取指数趋近律； 步骤4，确定滑模切换控制量； 步骤5，验证系统的稳定性； 步骤6，确定模糊控制的模糊集： 步骤7,设计模糊规则； 步骤8，进行反模糊化； 步骤9，确定输出，得出系统实际推力。
【文档编号】H02P21/00GK105932918SQ201610309272
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】林健, 郭秀杰, 王东杰
【申请人】南京工程学院