双驱龙门平台驱动系统、方法、设备及计算机可读存储器与流程

本发明实施例涉及永磁同步电机驱动系统领域，更具体地说，涉及一种双驱龙门平台驱动系统、方法、设备及计算机可读存储器。

背景技术：

双驱龙门平台(dual-drivegantrymachine)广泛应用于发光二极管、半导体、平面显示、激光切割和机床加工等精密制造工业领域。

如图1所示，是典型的双驱龙门平台的示意图，该双驱龙门平台包括两条滑轨11、横梁12、滑块13以及加工头或z轴机构14。上述两条滑轨11以一定间距沿x方向设置，横梁12横跨在滑轨11上，横梁12的两个端部分别具有运动部件以及分别驱动两个运动部件在滑轨11上运行的两台电机，通过上述电机可控制横梁12沿x方向运动。滑块13安装于横梁12的导轨上，一台电机控制滑块13沿y方向运动。加工头或z轴机构14安装于滑块13上。上述电机可采用直线电机直接驱动运行，也可采用旋转电机配合滚珠丝杠或齿轮齿条等结构驱动运行。

由于双驱龙门平台具有大跨度、高刚性、强耦合的结构特性，要实现高精度高速同步控制，对控制装置的解耦能力提出了严苛要求。

对于龙门跨度相对较小、机械对称、刚性和速度要求较低的应用场合，可采用基于位置同步偏差的交叉解耦方式，反复调整龙门轴驱动器的环路增益，达到平稳控制的目的。如果想进一步提高运行速度，可采用主-从控制方式，即主轴控制横梁在y方向的位置，从轴采用位置控制或者转矩控制模式，跟随主轴运行。对于跨度较大，机械存在一定的差异，运行速度和精度要求较高的情况下，需要采用基于模型的交叉解耦和补偿控制方式。

然而，上述基于位置同步偏差的交叉解耦方案，存在解耦能力不强、对机械结构依赖较大、参数调试复杂、且易产生偏摆振动的问题。

对于主-从控制方式，则存在以下问题：无法主动抑制横梁本身的弹性振动模态；无法消除横梁、滑块和负载的运动，对龙门同步运行造成扰动；对机械安装对称性要求较高；在高加减速高速运行时，机械磨损较大。

技术实现要素：

本发明实施例针对上述基于位置同步偏差的交叉解耦方案，存在解耦能力不强、对机械结构依赖较大、参数调试复杂、且易产生偏摆振动的问题，以及主-从控制方式无法主动抑制横梁本身的弹性振动模态、无法消除横梁、滑块和负载的运动、对龙门同步运行造成扰动、对机械安装对称性要求较高、在高加减速高速运行时，机械磨损较大的问题，提供一种双驱龙门平台驱动系统、方法、设备及计算机可读存储器。

本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种双驱龙门平台驱动系统，所述双驱龙门平台包括用于驱动横梁第一端的第一运动部件在第一导轨上移动的第一电机、用于驱动横梁第二端的第二运动部件在第二导轨上移动的第二电机以及在所述横梁上移动的滑块，所述驱动系统包括第一位置检测单元、第二位置检测单元、补偿值获取单元、偏摆角控制单元以及解耦控制单元，其中：

所述第一位置检测单元，用于获取所述第一运动部件在所述第一导轨上的第一位置；

所述第二位置检测单元，用于获取所述第二运动部件在所述第二导轨上的第二位置；

所述补偿值获取单元，用于根据所述第一位置、第二位置获取所述横梁的偏转角；

所述偏摆角控制单元，用于使用所述横梁的偏转角对偏角指令进行补偿获得偏摆力矩；

所述解耦控制单元，用于使用解耦变量解耦获得第一转矩和第二转矩，所述解耦变量包括所述偏摆力矩；所述第一伺服控制器根据所述第一转矩驱动所述第一电机运行、所述第二伺服控制器根据所述第二转矩驱动所述第二电机运行。

优选地，所述驱动系统包括第三位置检测单元以及重心获取单元，其中：

所述第三位置检测单元，用于获取所述滑块在所述横梁的第三位置；

所述重心获取单元，用于根据所述第三位置获取所述横梁的整体重心位置，所述解耦变量包括所述横梁的整体重心位置。

优选地，所述驱动系统包括平移位置控制单元；

所述补偿值获取单元还用于根据所述第一位置、第二位置以及横梁的偏转角获取平移补偿值；

所述平移位置控制单元，用于使用所述平移补偿值对平移指令进行补偿获得推力指令，所述解耦变量包括所述推力指令。

优选地，所述第一位置检测单元包括第一补偿子单元，所述第二位置检测单元包括第二补偿子单元，其中：

所述第一补偿子单元，用于使用第一补偿值对所述第一位置检测单元检测获得的所述第一运动部件的位置进行补偿，并生成所述第一位置；

所述第二补偿子单元，用于使用第二补偿值对所述第二位置检测单元检测获得的所述第二运动部件的位置进行补偿，并生成所述第二位置。

本发明实施例还提供一种双驱龙门平台驱动方法，所述双驱龙门平台包括用于驱动横梁第一端的第一运动部件在第一导轨上移动的第一电机、用于驱动横梁第二端的第二运动部件在第二导轨上移动的第二电机以及在所述横梁上移动的滑块，所述方法包括：

获取所述第一运动部件在所述第一导轨上的第一位置以及所述第二运动部件在所述第二导轨上的第二位置；

根据所述第一位置、第二位置获取所述横梁的偏转角，并使用所述横梁的偏转角对偏角指令进行补偿获得偏摆力矩；

使用解耦变量解耦获得第一转矩和第二转矩，所述解耦变量包括所述偏摆力矩，并由所述第一伺服控制器根据所述第一转矩驱动所述第一电机运行、由所述第二伺服控制器根据所述第二转矩驱动所述第二电机运行。

优选地，所述方法还包括：

获取所述滑块在所述横梁的第三位置，并根据所述第三位置获取所述横梁的整体重心位置；所述解耦变量包括所述横梁的整体重心位置。

优选地，所述方法还包括：

根据所述第一位置、第二位置以及横梁的偏转角获取平移补偿值，并使用所述平移补偿值对平移指令进行补偿获得推力指令；所述解耦变量包括所述推力指令。

优选地，所述获取所述第一运动部件在所述第一导轨上的第一位置以及所述第二运动部件在所述第二导轨上的第二位置，包括：

通过第一位置检测装置检测所述第一运动部件的位置，以及通过第二位置检测装置检测所述第二运动部件的位置；

对所述第一位置检测装置的输出进行补偿获得所述第一位置，以及对所述第二位置检测装置的输出进行补偿获得所述第二位置。

本发明实施例还提供一种双驱龙门平台驱动设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器执行的计算机程序，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述方法的步骤。

本发明实施例的双驱龙门平台驱动系统、方法、设备及计算机可读存储器，根据横梁的偏转角对偏角指令进行补偿获得偏摆力矩，并将所述偏摆力矩作为交叉解耦的参数，补偿了实际应用中的建模误差，实现了高速、高精度龙门双驱控制。本发明还通过对横梁整体重心位置、平移位置、机械安装差异进行补偿，进一步提高了龙门双驱控制精度。

附图说明

图1是典型的双驱龙门平台的示意图；

图2是双驱龙门平台的横梁及滑块的示意图；

图3是理想双驱龙门平台控制模型示意图；

图4是本发明第一实施例提供的双驱龙门平台驱动系统的示意图；

图5是本发明第二实施例提供的双驱龙门平台驱动系统的示意图；

图6是本发明第三实施例提供的双驱龙门平台驱动系统的示意图；

图7是本发明第四实施例提供的双驱龙门平台驱动系统的示意图；

图8是本发明第五实施例提供的双驱龙门平台驱动方法的示意图；

图9是本发明第六实施例提供的双驱龙门平台驱动方法的示意图；

图10是本发明第七实施例提供的双驱龙门平台驱动方法的示意图；

图11是本发明第八实施例提供的双驱龙门平台驱动方法的示意图；

图12是本发明实施例提供的双驱龙门平台驱动设备的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2为双驱龙门平台的横梁21及滑块22的物理参数示意图，其中横梁21及滑块22为双驱龙门平台中的活动部件。横梁21的第一端具有第一运动部件(例如轮)、第二端具有第二运动部件(例如轮)，且上述第一运动部件通过第一电机驱动在第一导轨上运行、第二运动部件通过第二电机驱动在第二导轨上运行，从而实现横梁21沿x方向的运行；滑块22通过第三电机驱动在横梁上沿y方向运行。

上述双驱龙门平台中，第一导轨和第二导轨平行设置，且上述第一导轨和第二导轨之间的间距为l。横梁21的中心位置处于点o，且该横梁21的质量为mx、惯量为ix、重心位置处于点gx(一般点gx与点o重合)；滑块22的质量则为my、惯量为iy、重心位置处于点gy。将滑块22和横梁21作为一体(即横梁机构)来考虑，则横梁机构整体的质量m为：

m＝mx+my(1)

若滑块22的重心位置gy在y方向坐标为则横梁机构整体的重心位置在y方向坐标为yg,且其符合以下计算式(2)：

根据计算式(2)可得横梁机构整体的重心位置在y方向坐标为yg为：

据此，横梁机构整体相对于重心位置的自转惯量j为：

并且，横梁机构整体重心与第一导轨中心线之间的距离l1、与第二导轨中心线之间的距离l2分别为

l1＝l/2+yg(5)

l2＝l/2-yg(6)

结合图3，若作用在横梁21两端(即第一运动部件和第二运动部件)的电磁力分别为f1和f2(如果是旋转电机加丝杆结构，可将电机的电磁转矩转化为丝杆的推动力)，且横梁21重心的位移量为x，则满足：

其中为横梁21重心的位移量为x的二阶导数。设拘束横梁机构的等效弹性系数为k，粘性系数为d，横梁偏转角为θ，则以下计算式(8)成立：

上述为横梁偏转角θ的一阶导数，为横梁偏转角θ的二阶导数。并且，横梁21左右两端(即第一运动部件和第二运动部件)的位移量x1、x2分别为：

x1＝x+l1×tgθ(9)

x2＝x-l2×tgθ(10)

当滑块22重量较大时，该滑块22的移动会造成横梁构件的整体重心产生较大的偏离。这种情况下，控制第一电机和第二电机运行的驱动器的负载会随滑块22的移动而有较大变化，伺服侧闭环控制很难保证两侧的同步性。为实现精确控制，本发明实施例将横梁21两端位置信号与y轴的位置信号反馈到上位机(即上位控制器)，在上位机中对横梁构件的整体重心位置和偏转角进行反馈控制。在横梁21两侧的位移量x1和x2己知的情况下，可由计算式(9)、(10)求解得到：

tgθ＝(x1-x2)/l(11)

再由计算式(3)求得横梁构件的整体重心在y方向位置yg后，横梁构件的整体重心在x方向位置xg为：

xg＝(x1+x2)/2-yg×tgθ(12)

具体地，如图4所示，是本发明第一实施例提供的上述双驱龙门平台的驱动系统的示意图，上述双驱龙门平台的第一电机由第一伺服控制器(运行于转矩控制模式)驱动运行、第二电机则由第二伺服控制器(运行于转矩控制模式)驱动运行，本实施例中的双驱龙门平驱动系统包括第一位置检测单元41、第二位置检测单元42、补偿值获取单元43、偏摆角控制单元45以及解耦控制单元40。在具体实现时，上述补偿值获取单元43、偏摆角控制单元45以及解耦控制单元40可集成到上位机，并结合运行于上位机的软件实现。

上述第一位置检测单元41可包括装设在双驱龙门的第一电机上的编码器(或从上述编码器接收信号)，其根据第一电机的转子旋转角度来获取第一运动部件在第一导轨上的第一位置x1。当然，在实际应用中，第一位置检测单元41也可直接检测第一运动部件在第一导轨上的移动距离来获取第一位置x1。

同样地，第二位置检测单元42可包括装设在双驱龙门的第二电机上的编码器(或从上述编码器接收信号)，其根据第二电机的转子旋转角度来获取第二运动部件在第二导轨上的第二位置x2。当然，在实际应用中，第二位置检测单元42也可直接检测第二运动部件在第二导轨上的移动距离来获取第二位置x2。

补偿值获取单元43用于根据上述第一位置x1、第二位置x2获取横梁的偏转角。具体地，该补偿值获取单元43可根据上述计算式(11)计算得到横梁的偏转角θ。

偏摆角控制单元45用于使用上述横梁的偏转角θ对偏角指令(由上位机中的偏角指令发生单元44生成，通常该值为零)进行补偿获得偏摆力矩t2*。

上述偏摆力矩t2*作为解耦控制单元40的解耦变量之一，由解耦控制单元40解耦获得第一转矩f1*和第二转矩f2*。在同等情况下(即其他解耦变量不变)，偏摆力矩t2*的值越大，第二转矩f2*与第一转矩f1*的差值越大。第一伺服控制器根据经第一放大器放大后的第一转矩f1驱动第一电机运行、第二伺服控制器根据经第二放大器放大后的第二转矩f2驱动第二电机运行，从而实现双驱龙门平台的驱动控制。

如图5所示，是本发明第二实施例提供的双驱龙门平台的驱动系统的示意图，该驱动系统除了包括第一位置检测单元41、第二位置检测单元42、补偿值获取单元43、偏摆角控制单元45以及解耦控制单元40外，还包括第三位置检测单元47和重心获取单元46，上述重心获取单元46同样可集成到上位机。

第三位置检测单元47用于获取滑块在横梁的第三位置。具体地，第三位置检测单元47可包括装设在双驱龙门的第三电机上的编码器(或从上述编码器接收信号)，其根据第三电机的转子旋转角度来获取滑块在横梁上的第三位置。当然，在实际应用中，第三位置检测单元47也可直接检测滑块在横梁上的移动距离来获取第三位置。

重心获取单元46用于根据第三位置获取横梁的整体重心位置，具体地，该重心获取单元46可根据上述计算式(3)获取横梁的整体重心位置。解耦控制单元40的解耦变量包括上述横梁的整体重心位置。在同等情况下，横梁的整体重心位置值越大，第二转矩f2*与第一转矩f1*的差值越大。

如图6所示，是本发明第三实施例提供的双驱龙门平台的驱动系统的示意图，该驱动系统除了包括第一位置检测单元41、第二位置检测单元42、补偿值获取单元43、偏摆角控制单元45、解耦控制单元40、第三位置检测单元47和重心获取单元46外，还包括平移位置控制单元49，且该平移位置控制单元49同样可集成到上位机。

在本实施例中，补偿值获取单元43还用于根据第一位置x1、第二位置x2以及横梁的偏转角获取平移补偿值xf(即横梁构件的重心偏移量)。

平移位置控制单元49用于使用所述平移补偿值对平移指令进行补偿获得推力指令f1*，解耦控制单元40的解耦变量包括上述推力指令f1*。具体地，平移指令发生单元48运算产生位置控制指令x*；平移位置控制单元将第一位置x1、第二位置x2进行计算求得位置反馈共模分量，并根据位置反馈共模分量与横梁构件的重心偏移量xf运算得到横梁构件重心实际位置xg，最后将位置控制指令x*与横梁构件重心实际位置xg相减后得到位置偏差，并将位置偏差与重心实际位置反馈信号xg进行运算得到一个转矩指令(即推力指令)f1*。

对于位置传感器或传动机械不理想的情况(比如：直栅尺与导轨不平行，丝杆的螺距不均匀等)下，可通过适当的测试方案导出误差函数g1(·)和g2(·)，再由此求出它们的逆g1^-1(·)和g2^-1(·)，并将误差补偿函数g1^-1(·)和g2^-1(·)置于编码器反馈通道中，再进行正常的反馈控制。据此，如图7所示，是本发明第四实施例提供的双驱龙门平台驱动系统的示意图。本实施例的双驱龙门平台驱动系统包括第一位置检测单元41、第二位置检测单元42、补偿值获取单元43、偏摆角控制单元45、解耦控制单元40，且第一位置检测单元41包括第一补偿子单元411，第二位置检测单元42包括第二补偿子单元421，其中：上述第一补偿子单元411可由集成到第一位置检测单元41(例如编码器)的软件构成，也可采用单独的硬件和软件实现；同样地，第二补偿子单元421可由集成到第二位置检测单元42例如编码器)的软件构成，也可采用单独的硬件和软件实现。

上述第一补偿子单元411用于使用第一补偿值对第一位置检测单元41检测获得的第一运动部件的位置进行补偿，并生成第一位置。第二补偿子单元421则用于使用第二补偿值对第二位置检测单元42检测获得的第二运动部件的位置进行补偿，并生成第二位置。

其中，上述第一补偿值可通过误差补偿函数g1^-1(·)计算获得，第二补偿值则可通过误差补偿函数g2^-1(·)计算获得，且误差函数g1(·)和g2(·)为双驱龙门的机械安装差异，具体可根据学习或者其他方式获取。

如图8所示，是本发明第五实施例提供的双驱龙门平台驱动方法的示意图，上述双驱龙门平台包括用于驱动横梁第一端的第一运动部件在第一导轨上移动的第一电机(即主轴电机)、用于驱动横梁第二端的第二运动部件在第二导轨上移动的第二电机(即从轴电机)以及用于驱动滑块在横梁上移动的第三电机，且第一电机由第一伺服控制器(其运行于转矩控制模式)驱动运行、第二电机由第二伺服控制器(其运行于转矩控制模式)驱动运行，所述方法包括：

步骤s81：获取第一运动部件在第一导轨上的第一位置、第二运动部件在第二导轨上的第二位置。具体地，上述第一位置和第二位置可通过分别安装在第一电机和第二电机的编码器获取，也可通过其他位置检测装置获取。

步骤s82：根据第一位置、第二位置获取横梁的偏转角，并使用横梁的偏转角对偏角指令进行补偿获得偏摆力矩。

步骤s87：使用解耦变量解耦获得第一转矩和第二转矩，上述解耦变量包括所述偏摆力矩。

步骤s88：由第一伺服控制器根据第一转矩驱动第一电机运行、由第二伺服控制器根据第二转矩驱动所述第二电机运行。上述第一伺服控制器和第二伺服控制器分别运行于转矩模式。

如图9所示，是本发明第六实施例提供的双驱龙门平台驱动方法的示意图，本实施例的双驱龙门平台驱动方法包括：

步骤s81：获取第一运动部件在第一导轨上的第一位置、第二运动部件在第二导轨上的第二位置。具体地，上述第一位置和第二位置可通过分别安装在第一电机和第二电机的编码器获取，也可通过其他位置检测装置获取。

步骤s82：根据第一位置、第二位置获取横梁的偏转角，并使用横梁的偏转角对偏角指令进行补偿获得偏摆力矩。

步骤s85：获取滑块在横梁的第三位置。在该步骤中，可通过装设在双驱龙门的第三电机上的编码器(或从上述编码器接收信号)获取第三电机的转子旋转角度，从而获取滑块在横梁上的第三位置。当然，在实际应用中，该步骤也可直接检测滑块在横梁上的移动距离来获取第三位置。

步骤s86：根据第三位置获取横梁的整体重心位置，例如通过计算式(3)。

步骤s87：使用解耦变量解耦获得第一转矩和第二转矩，上述解耦变量包括所述偏摆力矩和整体重心位置。

步骤s88：由第一伺服控制器根据第一转矩驱动第一电机运行、由第二伺服控制器根据第二转矩驱动所述第二电机运行。上述第一伺服控制器和第二伺服控制器分别运行于转矩模式。

其中，上述步骤s81-s82与步骤s85-s86可同时执行，也可按步骤s81、s82、s85、s86的顺序执行，或者按s85、s86、s81、s82的顺序执行。

如图10所示，是本发明第七实施例提供的双驱龙门平台驱动方法的示意图，本实施例的双驱龙门平台驱动方法包括：

步骤s81：获取第一运动部件在第一导轨上的第一位置、第二运动部件在第二导轨上的第二位置。具体地，上述第一位置和第二位置可通过分别安装在第一电机和第二电机的编码器获取，也可通过其他位置检测装置获取。

步骤s82：根据第一位置、第二位置获取横梁的偏转角，并使用横梁的偏转角对偏角指令进行补偿获得偏摆力矩。

步骤s83：根据步骤s81获得的第一位置、第二位置以及根据步骤s82的横梁的偏转角获取平移补偿值。

步骤s84：使用上述平移补偿值对平移指令进行补偿获得推力指令。

步骤s85：获取滑块在横梁的第三位置。

步骤s86：根据第三位置获取横梁的整体重心位置，例如通过计算式(3)。

步骤s87：使用解耦变量解耦获得第一转矩和第二转矩，上述解耦变量包括所述偏摆力矩、整体重心位置以及推力指令。

步骤s88：由第一伺服控制器根据第一转矩驱动第一电机运行、由第二伺服控制器根据第二转矩驱动所述第二电机运行。上述第一伺服控制器和第二伺服控制器分别运行于转矩模式。

其中，上述步骤s81-s84与步骤s85-s86可同时执行，也可按步骤s81、s82、s83、s84、s85、s86的顺序执行，或者按s85、s86、s81、s82、s83、s84的顺序执行。

为将上述双驱龙门平台驱动方法应用于位置传感器或传动机械不理想的情况场景(比如：直栅尺与导轨不平行，丝杆的螺距不均匀等)，如图11所示，在本发明第八实施例提供的双驱龙门平台驱动方法中，可对反馈位置进行补偿，即上述图8中的步骤s81具体可通过以下方式实现；

步骤s811：通过第一位置检测装置检测第一运动部件的位置，以及通过第二位置检测装置检测第二运动部件的位置；

步骤s812：使用第一补偿值对第一位置检测装置的输出进行补偿获得第一位置，以及使用第二补偿值对第二位置检测装置的输出进行补偿获得所述第二位置。上述第一补偿值可通过误差补偿函数g1^-1(·)计算获得，第二补偿值则可通过误差补偿函数g2^-1(·)计算获得，其中误差函数g1(·)和g2(·)为双驱龙门的机械安装差异，具体可根据学习或者其他方式获取。

如图12所示，本发明实施例还提供一种双驱龙门平台驱动设备，该双驱龙门平台驱动设备可集成到上位机，并与主轴控制器和从轴控制器一起实现双驱龙门平台驱动控制。该双驱龙门平台驱动设备包括存储器121和处理器122，存储器121中存储有可在处理器122中运行的计算机程序，处理器122运行上述计算机程序实现如上所述的双驱龙门平台驱动方法的步骤。本实施例中的双驱龙门平台驱动设备与上述双驱龙门平台驱动方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，且所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述方法的步骤。本发明实施例的存储介质与上述双驱龙门平台驱动方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本实施例中均对应适用，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。