[發明專利]一種雙軸運動平臺的定位與動態軌跡跟蹤控制裝置及方法

有效

• 申請號: 201510435521.4
• 申請日: 2015-07-22
• 公開（公告）號: CN105159227B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 李兵;付瑩;肖冰;李明;張亮
• 申請（專利權）人: 渤海大學
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

1.一種雙軸運動平臺的定位與動態軌跡跟蹤控制裝置，包括：DSP處理器；用于將光柵尺采集的位置速度信號轉化為可被DSP識別的數字量的位置速度檢測電路；用于采集電機電流并將電流模擬量轉變為DSP可以識別的數字量的電流檢測電路；用于對DSP進行參數設置和DSP處理結果進行顯示的按鍵顯示板；

DSP處理器與按鍵顯示板相連接；DSP處理器還依次通過功率接口板、IGBT驅動板和兩組三相半橋IGBT組與構成雙軸運動平臺的X軸永磁同步直線電機和Y軸永磁同步直線電機相連；每個永磁同步直線電機的輸出端連接光柵尺、光柵尺與位置速度檢測電路相連，然后將檢測的位置速度信號通過功率接口板送至DSP處理器的一路輸入端；每個永磁同步直線電機的電流輸入線路上連接霍爾傳感器，霍爾傳感器與電流檢測電路相連，然后將檢測的電流信號通過功率接口板送至DSP處理器的另一路輸入端；

其特征在于：所述DSP處理器內還設置有位置給定器、變速切換控制器和主位置控制器；

所述的位置給定器用于根據指令運動軌跡的形狀，分別對X軸永磁同步直線電機與Y軸永磁同步直線電機的初始位置坐標及實時運動位置坐標進行設定；

所述的變速切換控制器：根據定位控制指令發出的時刻，預設時刻t₀、t₁、t₂、t₃，并分別在時間段(t₀～t₁)、(t₁～t₂)、(t₂～t₃)內依次完成雙軸運動平臺的等加速度控制、等速度控制與等減速度控制；

所述的主位置控制器：在實時進行的動態軌跡跟蹤控制過程中，通過選取雙重Lyapunov函數，初步設計反演滑模控制律，再結合自適應方法，實時修正該控制律，并將修正后的控制律反饋至系統，以消除雙軸運動平臺執行動態軌跡跟蹤過程中產生的跟蹤誤差。

2.一種雙軸運動平臺的定位與動態軌跡跟蹤控制方法，采用權力要求1所述的裝置，其特征在于：具體包括以下步驟：

步驟1：根據指令運動軌跡的形狀，分別對X軸永磁同步直線電機與Y軸永磁同步直線電機的初始位置及實時運動位置坐標進行設定，兩個直線電機接收到指令信號后開始運動；

步驟2：對每個直線電機的實際位置進行采樣、并確定每個直線電機的實際速度；

步驟3：將每個直線電機的實測位置與指令位置進行比較、每個直線電機的實測速度與指令速度進行比較，分別獲得每個直線電機的位置跟蹤誤差和轉速偏差；

步驟4：實時查詢是否收到定位控制指令，是，則執行步驟5；否，則執行步驟6；

步驟5：進行雙軸運動平臺的定位控制時，根據定位控制指令發出時刻，預設時刻t₀、t₁、t₂、t₃，并分別在時間段(t₀～t₁)、(t₁～t₂)、(t₂～t₃)內依次完成雙軸運動平臺的等加速度控制、等速度控制與等減速度控制后，執行步驟6；具體包括如下步驟：

步驟5-1：在t₀時刻，進行雙軸運動平臺的等加速度控制：預設直線電機等加速度值a₁，且設計加速度滑動平面s₁，為使得負定，即使s₁穩定收斂，設計等加速度控制參數h₁和h₂，使得s₁、h₁和h₂滿足式(1)和式(2)，以保證直線電機能夠在時間段(t₀～t₁)持續以等加速度值a₁運動；

s1s·1=s1(z·1-1a1x2x·2)=s1x2[1+1a1M(Bx2-Kfh1-Kfh2x2+FD)]---(1)]]>

h1>|a1M+FDKf|h2>|BKf|---(2)]]>

式中，M為直線電機負載質量，z₁為直線電機的位置跟蹤誤差，x₂為z₁的一階微分，B為粘滯摩擦系數，F_D為外部干擾力，K_f為電磁推力系數；

步驟5-2：當到達t₁時刻時，進行雙軸運動平臺的等速度控制；預設直線電機等速度值v_d，且利用速度偏差設計等速度滑動平面s₂，為使得負定，即使得s₂穩定收斂，設計等速度控制參數h₃和h₄，使得s₂、h₃和h₄滿足式(3)、(4)和式(5)，以保證直線電機能夠在時間段(t₁～t₂)持續以等速度值v_d運動；

s₂＝x₂-v_d(3)

s2s·2<0---(4)]]>

h3>|FDKf|h4>|BKf|---(5)]]>

步驟5-3：當到達t₂時刻時，進行雙軸運動平臺的等減速度控制；預設直線電機的等減加速度值a₂，且設計等減速度滑動平面s₃，為使得負定，即使s₃穩定收斂，設計等減速度控制參數h₅和h₆，使得s₃、h₅和h₆滿足式(6)、(7)和式(8)，以保證直線電機能夠在時間段(t₂～t₃)持續以等減加速度值a₂運動；

s3=z1+12a2x22---(6)]]>

s3s·3<0---(7)]]>

hs>|FD-a2MKf|h6>|BKf|---(8)]]>

步驟5-4：當到達t₃時刻時，執行步驟6；

步驟6：在實時執行的動態軌跡跟蹤控制過程中，通過選取Lyapunov函數，初步設計反演滑模控制律即永磁同步直線電機的控制電流，再結合自適應方法，實時修正該控制律，并將修正后的控制律即修正后的輸入電流反饋至系統，以消除雙軸運動平臺執行動態軌跡跟蹤過程中產生的跟蹤誤差；具體包括如下步驟：

步驟6-1：建立第一個穩定函數b₁為：

z₁＝Y-Y_d(9)

b₁＝c₁z₁(10)

式中c₁為任意正數，Y_d為直線電機初始給定位置，Y為直線電機實測位置；

步驟6-2：在第一個穩定函數b₁的基礎上，建立第二個穩定函數b₂為：

b2=z·1+b1---(11)]]>

步驟6-3：選取雙重Lyapunov函數V₁、V₂，通過保證V₂大于零，V₂的導數負定，初步設計反演滑模控制律U，使得當t→∞時，系統狀態變量z₁與b₂收斂到零；

步驟6-3-1：選取第一個Lyapunov函數V₁，如式(12)所示，并對V₁求導，結果由式(13)表示；

V1=z122---(12)]]>

V·1=z1z·1=z1(b2-b1)=z1z2-c1z12---(13)]]>

步驟6-3-2：定義一個滑模面σ，如式(14)所示，并根據Lyapunov函數V₁，選取第二個Lyapunov函數V₂由式(15)表示；

σ＝k₁z₁+b₂(14)

V2=V1+σ22---(15)]]>

式中，k₁為任意常數；

步驟6-3-3：對V₂求導，結果由式(16)表示；

V·2=V·1+σσ·=z1b2-c1z12+σ(k1z·1+b·2)=z1b2-c1z12+σ[k1(b2-c1z1)+Am(b2+Y·d-b1)+BmU+D-Y··r+b·1]---(16)]]>

步驟6-3-4：為保證V₂正定，負定，初步設計反演滑模控制律為：

U=Bm-1[-k1(b2-c1z1)-Am(b2+Y·d-b1)-D sgn(σ)+Y··d-b·1-h(σ+β sgn(σ))]---(17)]]>

式中A_m、B_m與C_m為直線電機參數；D為系統總干擾量；

步驟6-4：結合自適應方法，實時修正控制律，并將修正后的控制律反饋至系統，以消除雙軸運動平臺執行動態軌跡跟蹤過程中產生的跟蹤誤差；

步驟6-4-1：進一步選擇式(18)所示的Lyapunov函數V₃，并對V₃求導得到如式(19)所示；

V3=V2+12γD~2---(18)]]>

V·3=z1z2-c1z12+σ[k1(b2-c1z1)+Am(b2+Y·d-a1)+BmU+D-Y··d+a·1]-1γD‾(D^·-γσ)---(19)]]>

其中代表系統總干擾量估測誤差，代表系統總干擾量的估計值，γ為正數；

步驟6-4-2：通過使負定，實時修正控制律U，獲得自適應反演滑模控制輸入電流為：

U=Bm-1[-k1(b2-c1z1)-Am(b2+Y·d-a1)-D^+Y··d-a·1-h(σ+βsgn(σ))]---(20)]]>

D^·=γσ]]>

其中為自適應控制律；

步驟7：對每個直線電機的電流進行采樣；

步驟8：分別將每個直線電機的采樣電流進行三相靜止坐標到兩相旋轉坐標的變換；

步驟9：通過直線電機交軸電流計算電磁推力，并實時求出當前計算的電磁推力與前一次計算的電磁推力之間的偏差，并根據該推力偏差實時進行直線電機的電流調節；

步驟10：對直線電機調節后的電流值進行兩相旋轉坐標到三相靜止坐標的變換，并將變換得到的電流值作為載波與三角波調制獲得PWM信號；

步驟11：DSP處理器產生相應的兩組六路PWM脈沖信號，分別驅動X軸永磁同步直線電機與Y軸永磁同步直線電機運行。