比例增益；I为外加扰动，通过设置固定扰动，能够验证系统具有较强的抗干扰能力以 及较快响应能力。
[0120] 传统的轮廓加工中，一般仅针对于XY平面进行轮廓精度控制，很难延伸到三维空 间，这对于实际的数控加工存在了很大的局限性。因此，采用一种轮廓误差估算法，建立了 三轴运动平台空间轮廓误差模型。并根据权利要求中所述，采用改进的交叉耦合控制方法 来改善轮廓跟踪性能，提高轮廓精度。
[0121] 该方法的步骤如下：
[0122] 本实用新型包括以下具体步骤：
[0123] 步骤1 :建立三轴运动平台轮廓误差模型：
[0124] 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：
[0126] 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；V 为动子加速度；
[0127] 选取x(t)和v(t)为系统状态变量，即PMLSM的状态方程可改写为
[0129] 其中，v(t)是电机动子速度；u=iq表示电机的控制输入量；x(t)则为直线电机 的位置输出。
[0130] 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：
[0135] 步骤2 :三轴运动平台轮廓误差模型建立：
[0136] 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。图3为直 线轮廓误差向量几何关系图。其中，哀为命令位置，P为实际位置，位置误差向量为f,轮廓 误差向量为泛;:RpR1为命令位置上的两点，分别记为R〇(x。，y。，z。），R1U1,Y1, Z1);实际位置P 到命令位置R的最短距离为向量?，即为实际位置到参考位置的轮廓误差向量I;Q点坐 标记为Q(X，y, z)。点P到点R1的距离为位置误差向量￡ ;
[0137] 由R。、&和Q这三点推出命令位置线性方程式为：
[0139]由图4可知，向量与向量I相互垂直，内积为零；即户gJ ;求出参数t代入 到方程式（6)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，最后推出轮廓误差吝为
[0141] 由式（6)可知轮廓误差I在X轴、y轴以及z轴的分量；
[0142] 步骤三：轮廓误差的补偿器设计
[0143] 根据图4,为了减小轮廓误差，希望实际位置P能够向命令位置向量憂修正，除了修 正位置误差向量f在各轴分量Ex，Ey，民外，需另外补偿轮廓误差向量J，由向量几何加减法 可知，选取向量2g作为实际位置到命令位置间的补偿，使其趋近于命令位置。整个补偿量 G:在各轴的分量可表不成：
[0145] 通过式（7)可使得合成向量g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d的几何关系可知A值愈大，泛愈偏向命令路径， 修正轮廓误差向量1的量就会大；
[0146] 步骤4 :单轴跟踪控制器设计
[0147] 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；
[0148] 步骤5 :轮廓控制器设计
[0149] 由前面所提到的轮廓误差估计法，可知轮廓误差e仅与命令位置R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，结构框图如图5。
[0150] 交叉耦合控制器的输入为三轴运动平台的给定位置艮馮和Rz和每轴的跟踪误差 Ex、E#PEz。ex、\和ez是交叉耦合控制器输出的每一轴的轮廓误差分量。并且将本实用 新型中所设计的三轴交叉耦合控制器结构框图与以往采用的结构框图相比较，本实用新型 的轮廓误差补偿在位置回路控制器之前就已完成。由轮廓误差补偿量几何关系可知，当调 整位置回路控制器内的增益值Kp时，会同时影响到轮廓误差补偿量€，其效果等同于调整 的大小，而非方向，但此时的方向是由交叉耦合增益值A的大小来决定。因此Kp与A的 调整是各自独立的，分别为大小和方向。而以往的交叉耦合控制器结构则是将补偿量置于 控制器之后，当调整Kp时，其效果等同于在图3中仅调整1的大小。因此，本实用新型中所 提出的方法将轮廓误差补偿量O的方向和大小均同时改变，增加了该结构图中位置回路增 益Kp与交叉耦合增益A间做最适当调整的匹配问题。
[0151] 交叉耦合控制器的输入为三轴运动平台的给定位置艮馮和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。
[0152] 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：
[0153] 步骤1系统初始化；
[0154] 步骤2允许TNl、TN2中断；
[0155] 步骤3启动Tl下溢中断；
[0156] 步骤4程序数据初始化；
[0157] 步骤5开总中断；
[0158] 步骤6中断等待；
[0159] 步骤7TNl中断处理子控制程序；
[0160] 步骤8结束。
[0161] 其中步骤7中Tl中断处理子控制程序按以下步骤：
[0162] 步骤ITl中断子控制程序；
[0163] 步骤2保护现场；
[0164] 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 ;
[0165] 步骤4电流采样，CLARK变换，PARK变换；
[0166] 步骤5判断是否需要位置调节；否则进入步骤7 ;
[0167]步骤6位置调节中断处理子控制程序；
[0168] 步骤7dq轴电流调节；
[0169] 步骤8PARK逆变换；
[0170] 步骤9计算CMPPx及PffM输出；
[0171] 步骤10位置采样；
[0172] 步骤11初始定位程序；
[0173] 步骤12恢复现场；
[0174] 步骤13中断返回。
[0175] 其中步骤6中位置调节中断处理子控制程序按以下步骤：
[0176] 步骤1位置调节中断子控制程序；
[0177] 步骤2读取编码器值；
[0178] 步骤3判断角度；
[0179] 步骤4计算已走距离；
[0180] 步骤5执行位置控制器；
[0181] 步骤6计算电流命令并输出；
[0182] 步骤7中断返回。
[0183] 本实用新型针对直接驱动三轴运动平台，本实用新型的优点主要在于建立了三维 空间轮廓误差模型以及对空间轮廓误差进行控制的方法。解决了在现代加工系统中，人们 对复杂元件的需求不断增加，却不能够满足复杂元件加工精度的问题。本实用新型主要针 对减少单轴的跟踪误差以及轮廓误差。单轴跟踪误差利用了位置环控制器与速度环控制器 相结合的控制方式，保证了单轴跟踪误差在良好的精度范围。三轴间轮廓误差的控制本实 用新型主要提出了一种新的轮廓误差估计模型来估计轮廓误差，并将其应用到三轴交叉耦 合轮廓控制器中，改进了三轴交叉耦合控制器的控制结构。通过上述两部分的结合，最终使 得三轴运动平台系统的轮廓误差趋近于零。
【主权项】
1. 一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。
【专利摘要】一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；本实用新型在三轴协调控制中采用一种轮廓误差估算法，建立三轴轮廓误差模型，改进了交叉耦合控制的结构，设计出三维空间轮廓误差控制器。
【IPC分类】G05B19/414
【公开号】CN204790506
【申请号】CN201520498480
【发明人】王丽梅, 蔺威威
【申请人】沈阳工业大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月10日