[發明專利]驅動復合擺頭的永磁環形力矩電機的自適應魯棒控制方法

無效

• 申請號: 201110392789.6
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102510251A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 孫宜標;趙希梅;夏加寬;劉春麗
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: H02P6/06
• 分類號: H02P6/06;H02P6/16
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明涉及自動控制技術領域，特別涉及驅動復合擺頭的永磁環形力矩電機的自適應魯棒控制方法，采用本方法對五軸聯動數控系統中的復合擺頭進行控制，可提高系統的伺服性能。

背景技術

隨著高新技術的發展和高精產品對零件精度要求越來越高，現代數控加工正向高速度化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自動化和高可靠性方向發展，五軸聯動數控系統應運而生。五軸聯動加工可以提高空間自由曲面的加工精度、質量和效率，已成為當今世界數控機床研究與開發的熱點。

復合擺頭是五軸聯動數控機床中的關鍵部件，其結構和性能在很大程度上決定了整臺機床的性能，對其進行良好的控制可提高系統的伺服性能，因此成為五軸聯動數控機床市場競爭的焦點之一。目前，為實現復合擺頭的高速高精性能，國際上一般采用先進的永磁環形力矩電機直接驅動技術。直接驅動消除了中間傳動機構(齒輪減速系統等)引起的消耗及產生的限制，能直接提供推力給執行機構，具有推力大、損耗低、電氣時間常數小、響應速度快等特點，可以獲得很高的動態響應速度和加速度，較高的剛度和定位精度，可實現平滑的無差運動。永磁環形力矩電機將機床傳動鏈長度縮短為零，直接驅動擺頭運動，省去齒輪等各種中間環節，實現“零傳動”，可得到良好的動態性能和較高的定位精度，其結構如圖1所示。

永磁環形力矩電機直接驅動也有其局限性，外界及自身的任何擾動將無緩沖地作用在電機上，系統對外部擾動、參數不確定性和轉矩脈動更為敏感，這是造成系統伺服性能下降的主要原因。另外，其它參數變化、位置和速度檢測噪聲等不確定因素都可能影響系統的穩定性和控制精度。隨著復雜型零件對加工精度要求不斷提高，采用傳統控制方法控制策略已無法滿足多軸聯動數控系統中高速高精的控制要求。

由于數控機床直接驅動系統不確定性(如未建模動態特性，參數變化以及外界負載擾動不確定性)，設法保持系統的穩定魯棒性和品質魯棒性，通過設計確定魯棒控制器滿足系統對性能指標的要求。確定魯棒控制方法可以保證系統暫態性能，并且實現確定的跟蹤精度；其缺陷是控制器采用固定的參數，所以參數不確定性不能被減小或消除。要減小最終跟蹤誤差，就要訴之于高增益。然而實際系統帶寬有限，故可用的增益是有限制的，這決定了系統的實際跟蹤誤差不能任意小。所以，將參數自適應引入確定魯棒控制技術以減小來自參數不確定項對系統穩態誤差的影響。自適應控制的優點在于通過在線參數自適應，可以減少可線性參數化的模型不確定項對系統性能的影響。因而，在不需要高增益的情況下可以獲得漸近穩定并且跟蹤誤差趨近于零。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種驅動復合擺頭的永磁環形力矩電機的自適應魯棒控制方法。

本發明驅動復合擺頭的永磁環形力矩電機的自適應魯棒控制方法所采用的控制系統，包括電機、霍爾傳感器、光電編碼器、電流采樣電路、電機位置與速度檢測電路、DSP、單路光耦隔離電路、電源電路、整流濾波電路、IPM智能功率模塊；DSP外圍設有Fault信號采集電路、晶振電路、復位電路、存儲器、通訊接口和JTAG接口。

電機輸出端分別接霍爾傳感器和光電編碼器輸入端，霍爾傳感器的輸出端連接至電流采樣電路輸入端，電流采樣電路的輸出端接至DSP的ADC端口，光電編碼器的輸出端連接位置與速度檢測電路輸入端，位置與速度檢測電路輸出端接至DSP的QEP端口，DSP外接有Fault信號采集電路、晶振電路、復位電路、存儲器、通訊接口和JTAG接口，光耦隔離電路接至DSP的PWM端口，電源電路接至DSP的供電端口，光耦隔離電路的輸出端、電源電路輸出端和整理濾波電路輸出端均接至IPM智能功率模塊輸入端，IPM智能功率模塊輸出端接至電機。

驅動復合擺頭的永磁環形力矩電機的自適應魯棒控制方法，具體步驟包括：

步驟1：確定驅動復合擺頭的電機轉子的初始相位；

采用霍爾傳感器測量電機的電流，將數據經電流采樣電路送入DSP；采用光電編碼器采集電機的轉子位置和速度信號，轉換為數字信號后，經位置與速度檢測電路輸出兩相正交方波脈沖信號和零位脈沖三路脈沖信號，從兩相正交方波脈沖信號的脈沖個數可知轉子的位置偏移，確定電機轉子的初始相位，并輸出至DSP。

由于一般永磁同步電機的電流環調節時間很短，當只考慮基波分量時，可采用d-q軸系下的模型，令電流內環d軸電流分量i_d＝0，使定子電流矢量和永磁體磁場在空間上正交，則復合A/C軸永磁環形力矩電機運動方程表示為：