三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置的制造方法

文档序号:9125085阅读:518来源:国知局
三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置的制造方法
【技术领域】 [0001] :本实用新型提供一种三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置及方法, 属于数控。
[0002]
【背景技术】:现代数控加工系统中,两轴XY平台轮廓控制已无法满足人们对复杂元 件的加工要求,因此引入三轴运动平台轮廓控制技术,以实现对空间三维零件轮廓的精密 加工。三轴运动平台是受永磁同步直线电机直接驱动,避免了"滚珠+丝杠"的中间传动环 节,提高系统的加工效率。 【实用新型内容】:
[0003] 实用新型目的:本实用新型提供一种三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置及方 法,其目的是解决以往的方式做存在的问题。
[0004] 技术方案:本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0005] -种三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置,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;主电路包括交流调压模块、整流滤波模块和IPM逆变模块;控制 电路包括DSP处理器、电流采样电路、动子位置采样电路、电压调整电路、IPM隔离驱动电路 和IPM保护电路;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、电压调整电路、IPM隔离驱动电路和IPM保护电路均与DSP处理器连接, IPM隔离驱动电路和IPM保护电路与IPM逆变模块连接,电流采样电路通过霍尔传感器连接 至三相永磁直线同步电机,电压调整电路连接交流调压模块,交流调压模块连接整流滤波 模块,整流滤波模块连接IPM逆变模块,IPM逆变模块连接三相永磁直线同步电机,三相永 磁直线同步电机上的光栅尺与动子位置采样电路连接。
[0006] 利用上述的三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置实施的三轴运动平台改进型 交叉耦合控制方法,其特征在于:该方法采用一种轮廓误差估算法,来建立三轴运动平台的 轮廓误差模型,并将单轴跟踪控制与三轴交叉耦合控制相结合,改进了以往的交叉耦合控 制结构,从而保证了系统单轴跟踪精度以及轮廓精度均趋近于零。
[0007] 单轴跟踪控制,单轴跟踪控制采用位置一速度环双闭环控制方式,单轴跟踪控制 系统设计。
[0008]速度环采用具有前馈的伪微分反馈控制器,即TOFF控制器,其控制算法表示为:
[0010]其中kf为前馈补偿增益,ki为积分增益,kp为比例增益;速度环控制输入Vd(S)与 实际输出速度函数Va(S)间的关系为:
[0012] 扰动输入Us)与实际输出速度函数Va(S)间的关系为:
[0016] 其中,Gq(S) =lAMs+B)为实际被控对象,Kf为电磁推力系数。
[0017] 位置环采用比例控制器,系数为kx,因此整个单轴跟踪控制系统的传递函数可表 示为:
[0019] 通过设置固定扰动I,能够验证系统具有较强的抗干扰能力以及较快响应能力。
[0020] 该方法的步骤如下:
[0021] 本实用新型包括以下具体步骤:
[0022] 步骤1 :建立三轴运动平台轮廓误差模型:
[0023] 三轴运动平台采用是由两两垂直的永磁同步直线电机(PMLSM),永磁直线同步电 机械方程式为:
[0024] Pte =K人' =AU,jTBv+F (、6 )
[0025] 式中,Ff3:电磁推力;M:永磁直线电机的动子和动子所带负载的总质量;iq为动子 q轴电流;Kf:电磁推力系数;B:粘滞摩擦系数;F:系统所受的总扰动力。V是动子速度;f 为动子加速度;
[0026] 选取X⑴和V⑴为系统状态变量,即PMLSM的状态方程可改写为
[0028] 其中,V(t)是电机动子速度;u=iq表示电机的控制输入量;X⑴则为直线电机 的位置输出。
[0029] 因此,直接驱动三轴运动平台可以由三个2阶微分方程构成:
[0031] 即表示成状态空间的形式为:
[0033]其中,Z1U) = [X1U)x2(t)x3(t)]T,= 4(:0]:1',u= [U1U2u3] T,P= [F1F2F3]T,A11= 0,A12=I,A21= 0,A22=diag(-Bi/IVQ,i=x,y,z,均为 3X3 矩 阵;
[0034] 步骤2 :三轴运动平台轮廓误差模型建立:
[0035] 在三轴运动平台中,轮廓误差模型估计的精度直接影响轮廓控制性能。假设三轴 运动平台中々为命令位置,P为实际位置,位置误差向量为及,轮廓误差向量为IRrR1为命 令位置上的两点,分别记为R〇(x。,y。,z。),R1U1,Y1,Z1) ;Q点为命令位置向量发上的一点,坐 标记为Q(x,y,z)。点P到点&的距离为位置误差向量i,表示成数学关系式的形式为:
[0043]向量^与向量I相互垂直,内积为零;S卩70.万=〇;求出参数t代入到方程式 (12)后可以得到坐标Q,坐标Q求出后可进一步求出轮廓误差值,最后推出轮廓误差g为
[0045] 由式(14)可知轮廓误差g在X轴、y轴以及z轴的分量;
[0046] 步骤三:轮廓误差的补偿器设计
[0047] 为了减小轮廓误差,希望实际位置P能够向命令位置向量务修正,除了修正位置误 差向量屋在各轴分量Ex,Ey,,需另外补偿轮廓误差向量參。因此,选取向量沿作为实际 位置到命令位置间轮廓误差g的补偿,补偿量的多少取决于A的大小。因此,把€作为整个 系统的补偿量,实际位置到期望位置的补偿关系式为:
[0048] C=E+/Cc ( 15)
[0049]通过式(15),既可以补偿实际位置点P到期望位置点R1的跟踪误差,又可以补偿 两点间的轮廓误差,使其趋近于命令位置。进而得到整个补偿量在各轴的分量:
[0051] 通过式(16)可使得合成向量^趋近于命令位置路径,其中A为交叉耦合增益值, 影响轮廓误差的修正速度。由合成向量5的几何关系可知A值愈大,6愈偏向命令路径, 修正轮廓误差向量甚的量就会大;
[0052] 步骤4:单轴跟踪控制器设计
[0053] 为了保证三轴的轮廓精度,单轴跟踪控制也是必不可少的,本实用新型中单轴跟 踪控制采用速度环控制器和位置环控制器相结合的控制方式,速度环控制器采用TOFF控 制方案,位置环控制器kx采用比例控制方式;
[0054] 步骤5 :轮廓控制器设计
[0055] 由前面所提到的轮廓误差估计法,可知轮廓误差g仅与命令位置5和实际位置P 有关,属于位置的几何关系,因此所设计的交叉耦合控制器位于控制系统的位置回路部分, 改进了以往的交叉耦合控制结构。
[0056] 交叉耦合控制器的输入为三轴运动平台的给定位置&、&和Rz和每轴的跟踪误差 Ex、EjPEz。ex、ejPe2是交叉親合控制器输出的每一轴的轮廓误差分量。
[0057] 本实用新型方法最终由嵌入DSP处理器中的控制程序实现,其控制过程按以下步 骤执行:
[0058] 步骤1系统初始化;
[0059] 步骤2允许TNI、TN2中断;
[0060] 步骤3启动Tl下溢中断;
[0061] 步骤4程序数据初始化;
[0062] 步骤5开总中断;
[0063] 步骤6中断等待;
[0064] 步骤7TNl中断处理子控制程序;
[0065] 步骤8结束。
[0066] 其中步骤7中Tl中断处理子控制程序按以下步骤:
[0067] 步骤ITl中断子控制程序;
[0068] 步骤2保护现场;
[0069] 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 ;
[0070] 步骤4电流采样,CLARK变换,PARK变换;
[0071] 步骤5判断是否需要位置调节;否则进入步骤7 ;
[0072] 步骤6位置调节中断处理子控制程序;
[0073] 步骤7dq轴电流调节;
[0074] 步骤8PARK逆变换;
[0075] 步骤9计算CMPPx及PffM输出;
[0076] 步骤10位置采样;
[0077] 步骤11初始定位程序;
[0078] 步骤12恢复现场;
[0079] 步骤13中断返回。
[0080] 其中步骤6中位置调节中断处理子控制程序按以下步骤:
[0081] 步骤1位置调节中断子控制程序;
[0082] 步骤2读取编码器值;
[0083] 步骤3判断角度;
[0084] 步骤4计算已走距离;
[0085] 步骤5执行位置控制器;
[0086] 步骤6计算电流命令并输出;
[0087] 步骤7中断返回。
[0088] 优点及效果:本实用新型提供一种三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置及方 法,随着人们对复杂元件要求的增加,多轴运动平台精密轮廓控制相比于以往具有代表性 的两轴XY平台轮廓控制来说,多轴运动平台高性能轮廓加
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