直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的二階滑?？刂葡到y(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】用混合非奇異終端二階滑模方法控制直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，其特征在于采用混合非奇異終端二階滑模方法設(shè)計(jì)位置控制器，解決了終端滑模奇異性的問題，并且引入線性滑模面從而加快了系統(tǒng)收斂速度。二階滑模的加入將控制作用在變量的高階微分上從而削弱了系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象。此外，自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)，對控制增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，克服了控制增益需要不確定邊界的局限性。整個(gè)控制系統(tǒng)硬件部分包括主電路、控制電路、控制對象三部分。其中控制電路包括DPS處理器、電流采樣電路、動(dòng)子位置采樣電路、IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，主電路包括調(diào)壓電路、整流濾波單元、IPM逆變單元。本發(fā)明方法最終由嵌入DPS處理器中的控制程序?qū)崿F(xiàn)。
【專利說明】直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的二階滑?？刂葡到y(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)混合非奇異終端二階滑模 控制方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 半個(gè)世紀(jì)以來，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)雖然經(jīng)歷變化，但長期以來，基本的傳動(dòng)形式仍然 是"旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠"，很難達(dá)到高速度、高精度、技術(shù)生產(chǎn)的要求，隨著技術(shù)的進(jìn)步 與加工質(zhì)量和效率要求的提高，直線電機(jī)在機(jī)床領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。
[0003] 傳統(tǒng)的進(jìn)給系統(tǒng)有其固有的缺點(diǎn)，由于傳統(tǒng)的伺服進(jìn)給方式由"旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾 珠絲杠"組成，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要經(jīng)過一系列中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)才能變成滑板和道具的直線 運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的剛度和魯棒性降低從而使系統(tǒng)的伺服性能降低。中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存 在還會(huì)使運(yùn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，速度、位移響應(yīng)速度慢從而使系統(tǒng)的精度很難得到改善。 提高零件的生產(chǎn)率和改善其加工質(zhì)量要求其具有反應(yīng)快速、靈敏、高速的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為 了滿足高速精密加工的要求新型的直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)成為研宄和應(yīng)用的重點(diǎn)方向。直線電 動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要任何中間機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由直線電動(dòng)機(jī)給負(fù)載直接提供推力，消 除了由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的問題和限制，實(shí)現(xiàn)了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)（或刀架）的"零傳動(dòng)"由 于直接驅(qū)動(dòng)減去了電機(jī)與負(fù)載相連的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此減少了許多的不利因素，使系統(tǒng) 具有很好的響應(yīng)速度、很高的精度和剛度等優(yōu)點(diǎn)。雖然直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)可提高控制性能， 但依然主要靠系統(tǒng)的控制性能才可達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)；實(shí)際上，當(dāng)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式被直接驅(qū)動(dòng) 替代后，則要求系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性和動(dòng)態(tài)魯棒性。因?yàn)樵撓到y(tǒng)對負(fù)載的擾動(dòng)和參數(shù) 的變化都很敏感。而且負(fù)載的伺服系統(tǒng)也存在著許多的不確定性，設(shè)計(jì)的控制器要具有理 論和工程的實(shí)際意義，那么必須使其在不確定性對系統(tǒng)破壞最嚴(yán)重時(shí)也能滿足其性能的要 求。
[0004] 滑模變結(jié)構(gòu)控制作為一種非線性不連續(xù)控制方法，因其算法簡單，抗干擾能力強(qiáng)， 易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。滑模表明系統(tǒng)具有一種特殊的模態(tài)，變結(jié)構(gòu)表明 控制器的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，其基本原理在于先設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)空間的滑動(dòng)超平面滑模， 使處于滑模上的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)性能；再設(shè)計(jì)控制器使系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)到 達(dá)滑模當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)穿越滑模時(shí)，控制器結(jié)構(gòu)就發(fā)生變化，使系統(tǒng)保持在滑模上運(yùn)動(dòng)傳統(tǒng)的 變結(jié)構(gòu)控制采用線性的滑模，系統(tǒng)到達(dá)滑模后，跟蹤誤差漸近收斂至零，并且漸近收斂的速 度可以通過選擇滑動(dòng)模態(tài)參數(shù)來調(diào)整，但無論如何調(diào)整，狀態(tài)跟蹤誤差都將無限時(shí)間收斂。 為了解決無限時(shí)間收斂的問題，終端滑?？刂品椒ū惶岢霾⒌玫綇V泛的關(guān)注通過在滑模設(shè) 計(jì)中引入非線性函數(shù)，使得在滑動(dòng)模態(tài)跟蹤誤差能夠在有限時(shí)間收斂至零。終端滑模方法 的提出，不僅解決了有限時(shí)間收斂的問題，而且相對于傳統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制具有性能更好魯棒 性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供了直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)混合非奇 異終端二階滑模控制方法與系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度并且增強(qiáng)了魯棒性。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的：
[0007] 直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的二階滑?？刂葡到y(tǒng)控制方法，其特征在于：該系統(tǒng)是由永磁 直線電機(jī)位置控制器、自適應(yīng)控制器和控制系統(tǒng)硬件部分組成，其中控制系統(tǒng)硬件部分包 括主電路、控制電路、控制對象三部分，其中控制電路包括DPS處理器、電流采樣電路、動(dòng)子 位置采樣電路、IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，主電路包括調(diào)壓電路、整流濾波單元、IPM逆變單 元，控制對象為機(jī)身裝有光柵尺的三相永磁直線同步電機(jī)，永磁直線電機(jī)位置控制器采用 混合非奇異終端二階滑模設(shè)計(jì)，二階滑模位置控制器的混合非奇異終端滑模面為：
【權(quán)利要求】
1.直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的二階滑?？刂葡到y(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)是由永磁直線電機(jī)位 置控制器、自適應(yīng)控制器和控制系統(tǒng)硬件部分組成，其中控制系統(tǒng)硬件部分包括主電路、控 制電路、控制對象三部分，其中控制電路包括DPS處理器、電流采樣電路、動(dòng)子位置采樣電 路、IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，主電路包括調(diào)壓電路、整流濾波單元、IPM逆變單元，控制對象 為機(jī)身裝有光柵尺的三相永磁直線同步電機(jī)，永磁直線電機(jī)位置控制器采用混合非奇異終 端二階滑模設(shè)計(jì)，二階滑模位置控制器的混合非奇異終端滑模面為：
混合非奇異終端滑模面的一階導(dǎo)數(shù)為：
式中，X1,&為系統(tǒng)的跟蹤誤差值及其導(dǎo)數(shù)，則X i= e =P#-Ρ，Χ2 =?，Ρ?為指定的位 置，P為實(shí)際輸出位置，Ρ，q，γ，ε，β均為大于O的常數(shù)，且I<p/q< 2,c彡1 ; 且由上式可知二階滑?？刂葡到y(tǒng)的相對階為1，需定義適當(dāng)?shù)?使輸出變量σ及其導(dǎo) 數(shù)?在有限時(shí)間內(nèi)收斂為零，將二階滑模系統(tǒng)控制的問題等價(jià)為不確定系統(tǒng)在有限時(shí)間 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的問題；
其中，X=[XX2]τ為系統(tǒng)的狀態(tài)變量；δ(t,XDX2)，Φ(t，XDX2)是不確定函 數(shù)，U為控制變量； 二階滑?？刂破骺刂坡沙菟惴椋?br>
M1,M2為控制增益； 設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制律使控制增益自動(dòng)調(diào)節(jié)，即設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制律使控制增益動(dòng)態(tài) 增加，直到系統(tǒng)滑模變量接近平衡點(diǎn)，然后控制增益將開始減少，因此設(shè)計(jì)通過引入鄰域 σI<μ只要滑模變量滿足這個(gè)鄰域，系統(tǒng)的控制增益動(dòng)態(tài)開始減少，直到該系統(tǒng)滑模變 量離開鄰域，離開鄰域之后增益動(dòng)態(tài)增加，以迫使軌跡有限的時(shí)間內(nèi)回到平衡點(diǎn)，控制增益 的自適應(yīng)律為：
式中μ,η,ξ，Y1,W1為任意正常數(shù)，參數(shù)am為任意小正常數(shù)。
2. -種如權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的二階滑?？刂葡到y(tǒng)控制方法，其特征 在于：主控制程序如下列步驟所示： 步驟1系統(tǒng)初始化； 步驟2允許TN1、TN2中斷； 步驟3啟動(dòng)Tl下溢中斷； 步驟4程序數(shù)據(jù)初始化； 步驟5開總中斷； 步驟6中斷等待； 步驟7TNl中斷處理子控制程序； 步驟8結(jié)束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的二階滑?？刂葡到y(tǒng)控制方法， 其特征在于：所述的TNl中斷處理子控制程序如下列步驟所示： 步驟ITNl中斷子控制程序； 步驟2保護(hù)現(xiàn)場； 步驟3判斷是否已初始定位；是進(jìn)入步驟4,否則進(jìn)入步驟10 ; 步驟4電流采樣，CLARK變換，PARK變換； 步驟5判斷是否需要位置調(diào)節(jié)；否則進(jìn)入步驟7 ; 步驟6位置調(diào)節(jié)中斷處理子控制程序； 步驟7dq軸電流調(diào)節(jié)； 步驟8PARK逆變換； 步驟9計(jì)算CMPPx及PWM輸出； 步驟10位置采樣； 步驟11初始定位程序； 步驟12恢復(fù)現(xiàn)場； 步驟13中斷返回。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的二階滑?？刂葡到y(tǒng)控制方法，其 特征在于：所述的TNl中斷處理子控制程序步驟6位置調(diào)節(jié)中斷處理子控制 程序按以下步驟： 步驟1位置調(diào)節(jié)中斷子控制程序； 步驟2讀取編碼器值； 步驟3判斷角度； 步驟4計(jì)算已走距離； 步驟5執(zhí)行位置控制器； 步驟6執(zhí)行自適應(yīng)控制器； 步驟7計(jì)算電流命令并輸出； 步驟8中斷返回。
【文檔編號】H02P21/00GK104467595SQ201410736775
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】孫宜標(biāo), 陳展琴, 王麗梅, 鄭浩 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)