直线电机精密轨迹跟踪装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种直线电机精密轨迹跟踪装置及方法，具体涉及一种基于分数阶自 抗扰控制器的直线电机精密轨迹跟踪装置及方法，属于直线电机运动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 直线电机与传统旋转电机相比，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，有利于实现高速或低速、高精度等高性能直线运动，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] 但也正是由于缺少中间传动环节的缓冲作用，直线电机更容易受到系统参数变 化、摩擦力和负载扰动力等因素影响，尤其是系统非线性因素和不确定干扰，给直线电机的 精密轨迹跟踪控制增加很大的难度。
[0004] 近年来，越来越多的先进控制算法被引入到直线电机的运动控制研究中，来获得 良好的控制性能，如迭代学习控制、自适应鲁棒控制和自抗扰控制等，其中自抗扰控制以其 实用性强、鲁棒性好和不依赖精确的系统模型等优点引起越来越多研究人员的重视。但现 有技术中，普通自抗扰控制器的最大优势只在于抵抗系统扰动能力强，而轨迹跟踪控制精 度不高，无法较好地实现直线电机精密轨迹跟踪控制。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了 一种直线电机精密轨迹跟踪装置及方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 直线电机精密轨迹跟踪装置，包括分数阶自抗扰控制器、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;所述分数阶自抗扰控制器的输入端为所述 装置的输入端，所述分数阶自抗扰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分数阶自抗扰控 制器的输入端连接。
[0008] 所述分数阶自抗扰控制器包括加速度前馈电路、第二求差电路、第三求差电路、分 数阶控制器、求和电路和扩张状态观测器;所述第二求差电路的输入端为所述分数阶自抗 扰控制器的输入端，所述第二求差电路的输出端与分数阶控制器的输入端连接，所述分数 阶控制器的输出端与求和电路的输入端连接，所述求和电路的输出端为所述分数阶自抗扰 控制器的输出端，所述加速度前馈电路的输入端与第二求差电路的输入端连接，所述加速 度前馈电路的输出端与第三求差电路的输入端连接，所述第三求差电路的输出端与求和电 路的输入端连接，所述扩张状态观测器的输入端分别与求和电路的输出端以及位移传感器 的输出端连接，所述扩张状态观测器的输出端与第三求差电路的输入端连接，所述第二求 差电路的输入端还与位移传感器的输出端连接。
[0009] 直线电机精密轨迹跟踪装置的跟踪方法，包括以下步骤，
[0010] 步骤1，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,分数阶自抗扰控制器接收被跟踪的直线电机的目标轨迹Xd和实际运动位 移X，输出中间控制量U1;
[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] 分数阶自抗扰控制器中的处理过程为，
[0016] A1)加速度前馈电路接收被跟踪的直线电机的目标轨迹Xd并进行处理；
[0017]加速度前馈电路的处理公式为，
[0019] 其中，的二阶导数，即加速度前馈电路的输出量，d为微分算子，t为时间；
[0020] A2)扩张状态观测器计算系统总和扰动的估计值Z3;
[0021] 具体计算公式为，
[0023] 其中，Z1为直线电机实际运动位移的估计值，Z2为直线电机实际运动速度的估计 值，eo为zi和X之间的误差，b为控制量增益，β〇ι、β〇2、β()3为扩张状态观测器增益，fal(eo, 0.25,3)为非线性函数，3为&1(创，0.25,3)中线性段的区间长度；
[0024] fal(eo,0.25j)的具体公式为，
[0026] 其中，α为幂指数，sgn( ·)为符号函数；
[0027] A3)分数阶控制器进行分数阶控制输出；
[0028]具体计算公式为，
[0029] u〇i = KP(l+Kdsu) · ei
[0030] 其中，UQ1为分数阶控制器的输出，KP、Kd为分数阶控制器参数，s为拉普拉斯算子，μ 是取值为〇到1之间的实数，eiSxd和X之间的误差，即第二求差电路的输出，也是分数阶控制 器的输入；
[0031 ] A4)第三求差电路接收加速度前馈电路的输出量毛，计算输出控制量u〇2，求和电 路根据UQ1和UQ2计算出中间控制量U1;
[0032]计算公式为，
[0034] ui = u〇i+u〇2〇
[0035] 电流控制器中的处理公式为，
[0036] u=KPi · e
[0037] 其中，e为m和i之间的误差，Kpi为电流控制器参数。
[0038] 本发明所达到的有益效果:本发明在普通自抗扰控制器的基础上引入加速度前馈 电路和分数阶控制器，形成分数阶自抗扰控制器，与普通自抗扰控制器相比，分数阶自抗扰 控制器能有效抑制系统非线性因素和不确定干扰对系统性能的影响，实现直线电机精密轨 迹跟踪控制性能。
【附图说明】
[0039]图1为本发明的结构框图。
[0040]图2是本发明中不同正弦轨迹跟踪误差对比图。
[0041 ]图3是本发明中对系统参数摄动的抑制能力对比图。
[0042] 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】
[0043] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0044] 如图1所示，直线电机精密轨迹跟踪装置，包括分数阶自抗扰控制器、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。
[0045] 分数阶自抗扰控制器的输入端为所述装置的输入端，分数阶自抗扰控制器的输出 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分数阶 自抗扰控制器的输入端连接。
[0046] 分数阶自抗扰控制器包括加速度前馈电路、第二求差电路、第三求差电路、分数阶 控制器、求和电路和扩张状态观测器。
[0047] 第二求差电路的输入端为所述分数阶自抗扰控制器的输入端，第二求差电路的输 出端与分数阶控制器的输入端连接，分数阶控制器的输出端与求和电路的输入端连接，求 和电路的输出端为所述分数阶自抗扰控制器的输出端，加速度前馈电路的输入端与第二求 差电路的输入端连接，加速度前馈电路的输出端与第三求差电路的输入端连接，第三求差 电路的输出端与求和电路的输入端连接，扩张状态观测器的输入端分别与求和电路的输出 端以及位移传感器的输出端连接，扩张状态观测器的输出端与第三求差电路的输入端连 接，第二求差电路的输入端还与位移传感器的输出端连接。
[0048] 直线电机精密轨迹跟踪装置的跟踪方法，包括以下步骤：
[0049] 步骤1，电流传感器采集直线电机的实际动子电流i。
[0050]步骤2,位移传感器采集直线电机的实际运动位移x。
[0051 ]步骤3，分数阶自抗扰控制器接收被跟踪的直线电机的目标轨迹Xd和实际运动位 移X，输出中间控制量U1。
[0052]分数阶自抗扰控制器中的处理过程为，
[0053] A1)加速度前馈电路接收被跟踪的直线电机的目标轨迹Xd并进行处理；
[0054]加速度前馈电路的处理公式为，
[0056] 其中，·Sxd的二阶导数，即加速度前馈电路的输出量，d为微分算子，t为时间；
[0057] A2)扩张状态观测器计算系统总和扰动的估计值Z3;
[0058]具体计算公式为，
[0000]其中，Z1为直线电机实际运动位移的估计值，Z2为直线电机实际运动速度的估计 值，eo为zi和X之间的误差，b为控制量增益，β〇ι、β〇2、β()3为扩张状态观测器增益，fal(eo, 0.25,3)为