nbhkdz.com冰点文库

基于极点配置的直线电机运动控制器设计

时间:2011-12-06


基于极点配置的直线电机运动控制器设计

杨开明 , 叶佩青 , 尹文生

= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = == = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ================================= 伺服控制 ·S R O T C I U E V E HN Q E

基于极点配置的直线电机运动控制器设计
杨开明 , 叶佩青 , 尹文生
清华大学精密系 , 北京 (


108) 004

要: 为了提高精密工作台的轨迹跟踪精度和 动 态 响 应 性 能 , 于 辨 识 出 的 控 制 对 象 离 散 化 模 型 , 用 极 点 配 置 基 利

方法设计精密工作台运动控制器的前馈环节和 反 馈 环 节 , 成 具 有 两 自 由 度 结 构 的 精 密 工 作 台 运 动 控 制 系 统 。 通 构 过 实验 , P + 加速度前馈的控制方式相比较 , 与 D 精密工作台静态定位误差提高了 0 5 m; . ? 当精密工作台以 1 0 2 mm/ 匀速运动时 , 轨迹跟踪精度提高了 2 m, 采用极 点 配 置 方 法 设 计 的 运 动 控 制 器 0 。 s ? 定位建立时间缩短了 1 ms 表明 , 具有较好的动态响应和轨迹跟踪性能 。 关键词 : 精密工作台 ; 直线电动机 ; 运动控制 中图分类号 : M3 9 4 T 5. 文献标识码 : A 文章编号 : 0 1 8 8 2 0 ) 3 0 9 3 1 0 -6 4 ( 0 5 0 -0 4 -0

MoinC nrl rD s no P ei o tg ae nLn a t o o tol ei f rc inSa eb sdo ierMoo e g s tr -qn , N YANG Ka-mig YEP i ig YI We -s e g i n, e n hn
( e at n o P eio n tu nsa dMeh n lg , s g u D p rme t f rc inIsrme t n s c a oo y T i h aUnvri , e ig 1 0 8 , hn ) n ies y B in , 0 0 4 C ia t j A src:nod rt mpo etetakn cuaya dd n mi l ep n iit f h rc inwoka l, ae btatI re oi rv h rc igac rc n y a c rso s lyo tepeio a bi s rtbe b sd o h i rt nteds eemo e o teie t i o to lj tp las n n meh di sdt eintefe fr r o p c d l f h d nie nrlbe , oesi me t to su e od s f dc c g g h edowadlo a dfe b c o po temoincnrl rfrtepeio n ed aklo f h t o o tol o h rc inwoka l.ntec eke p r nscmp rdt h e s rtbe I h h c x ei t,o ae ote me P cnrlwi aclrt nfe fr r, h tt oio igac rc si rvd 0 5 m, n h rc ig D o to t ceeai edowad tesai s inn cuayi mpo e . ? a dtetakn h o cp t ac rc si rvd3 m a h nfr sedo 2 mm/, i h oio igetbi igt cuayi mpo e ? tteu i m p e f1 0 o s whl ep s inn sa l hn i et t s merd csb eue y 1 msT ers l h w ta moincnrl r ae ntep l sin n meh dh v 0 . h eut o h t t ss o o tol sb sdo h oeas me t to a emu hmoed n mi l e g c r ya c a rso s it n rc igp roma c. ep n i lya dtahn efr n e bi Ke od: rc insa el ermoo; t ncnrl yw r speio tg ;i a s n trmoi o to o

0 引



很难 做到和 控制 对 象 模 型 的 匹 配 , 且 各 补 偿 环 节 而 有可能相互干涉 , 影响补偿效果 。 文中针对直线电机 驱动 、 气浮导轨支承的精密工作台运动控制 , 基于辨 利 识出 的控制 对象 离 散 化 模 型 , 用 极 点 配 置 方 法 设 构成具有两自由度结构的精密工作台运动控制系 提高了运动控制效果 。

用于半导体光刻 、 液晶制造 、 精密测量和加工等 为了实现大行程 、 高速高精度运 领域的精密工作台 , 动, 都 采 用 直 线 电 机 + 气 浮 导 轨 的 直 接 驱 动 形 大 因而具有机械结构 。工作台实现非接触驱动 , 简单 、 无摩擦及分辨率高等优点 。 以此同时 , 为了满
[]2 1[]

计精密 工作 台运 动 控 制 器 的 前 馈 环 节 和 反 馈 环 节 ,



满足了精密工作台的动态响应和轨迹跟踪性能 , 统,

足 精 密工作台高 速 高 精 度 的 运 动 性 能 , 求 控 制 系 要 统具有极高的动态响应和轨迹跟踪性能 。 在 数 控 机 床 及 机 器 人 等 机 电 控 制 领 域, 常 用 最
[]2 1[]

的 控 制 方 法 就 是 P D 控 制 。P D 控 制 具 有 结 构 简 I I 单, 不需要精确的控制对象模型 , 有较好的控制鲁棒 性以及易于实现等优点 。 但由于设计参数最多不超 过 3个 , 因此设计自由度受到限制 , 虽然可以通过附 3[] 加 各 种 补 偿 环 节 来 进 一 步 提 高 系 统 的 性 能[]4 , 但
收稿日期 : 0 4 2 0 2 0 -1 -1 国家 8 3计划项目 、 编号 : 0 1 6 2 0 AA4 3 6 220

1 极点配置运动控制器设计方 5[]7 法[]6[]
文中所采用的控制结构如图 1所示 。 控制结构 包括反馈补偿器和前馈补偿器两部分 。 在图 1中 , p G () z 是通过 辨 识 得 到 控 制 对 象 离 散 域 模 型 , ( ) D C z、 以及 P( ) 运 动 控 制 器 , ( ) D( ) 前 馈 控 是 是 () z z C z/ z 制器 , z D/ z 是反馈控制器 。 P( ) ( ) - 4 9

微电机

20 年 05

第3卷 8

第 3期 ( 总第 1 4期 ) 4

= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = == = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 图 1中 , 控制对象的模型 G ( ) 1 所示 : p z 如式 ( )
-1 = G( ) p z -1 -2 Λ m -m B z 1) bz +bz +Λ +bz (1 2 = +az Λ 1A( - 1) 1 1 - 1+az 2+Λ +az 1 z 2

() 1 通 过 对 G ( ) 行 辨 识 ,、 a、 2、 a 以 及 b、 进 lm、 1 a …、 1 p z 1 均可确定 。 图 1中 , 闭环系统特征多项式 b、 2 ……b m
图 1 直线电机精密工作台运动控制器结构图
-1 为 Ac( ) : lz

-1 =A ( - 1 A ( - 1 =A( - 1) z 1) ( - 1) z +B z P( ) () 2 Ac( ) c z ) o z ) z D( lz 式 中 , c z 1) 包含所有主导极点 , o z 1) 包含闭环 面上的零点预期分布由 A l z 1) 确定 。 A( A( c( 控制系统的所有辅助极点 , c z 1) 是反馈控制多项 控制器设计时首先根据系统的因果性约束条件 A( 式 , o z 1) 是观测器多项式 。 控制器极点配置设计 , A(

就 是 通过设计 D( ) z 以及 P( ) 使 得 闭 环 系 统 特 征 z, 多 项 式的零点 在 z平 面 上 有 预 期 的 分 布 , 而 满 足 从 控制性能要求 。 闭环系统特征多项式的零点在 z平

是 及控制系 统 对 P( ) D- 1( ) 动 作 要 求 ( 否 要 z的 z及 -1 求 有 积 分 作 用 或 零 点 对 消 ) 定 A l z ) P( ) 确 、 z、 c( -1 以及 C z 的阶数 。 因果条件如下 : () D () z

d g P( ) ≤d g P( ) , e ( ( ) ≤d g D( ) , e ( 0( ) ≤d g D( ) e ( z ) e ( z ) dg C z ) e ( z ) dg A z ) e ( z )

() 3

() 4 d g P( ) ≤d g Ac( ) -d g A( ) , e ( c( ) ≥2 e ( z ) e ( z ) e ( l z ) e ( z ) d g A l z ) d g A( ) -1 首先采用正 弦 波 扫 频 的 方 式 , 识 精 密 工 作 台 辨 然后 , 根据系统的控制要求 ( 控制带宽 、 相对阻尼率 ) 动力学模型的频率响应特性 。 根据直线电机电流环 选 择 和 确 定 Ac( - 1) Ao( - 1) 阶 次 和 参 数 , c z 和 z 的 A ( - 1) z 的各项系数也可以根据 I AE准则确定 。 T 求解式 ( ) 可 得 到 P( ) D- 1( ) 各 项 系 数 。 2, z的 z、 此时 , 控制器 C z 可以根据式 ( ) () 5 求取 : AD( ) 1 () () 5 Ao z B1 () 根 据 上述 步 骤 , 可 以 设 计 出 精 密 工 作 台 控 制 器 P 就 -1 ()D () () z、 z 以及 C z 。 () C z=

的采样频率和运 动 控 制 卡 的 采 样 频 率 之 间 的 关 系 ,

系 统 存 在 一 个 采 样 周 期 的 滞 后, 后 时 间 为 10 7 滞 1. ?。 s采用了 P d 时间滞后近似方法对延迟环节进行 ae 系 统 采 样 周 期 1 0 7? 是 对 所 获 的 连 续 域 传 递 函 1. s 数进行双线性变 换 , 得 精 密 工 作 台 离 散 域 传 递 函 可 数如下式所示 :

处理 , 因此传递函数中包含有时间延迟的近似环节 。

2 精密工作台运动控制器设计
-1 = G( ) p z

1 - 6( . 8 1 . 5 z 1+1 7 9 - 2+1 1 3 - 3+0 2 8 z 4) 0 0 2 8 +1 1 3 . 2z . 5z . 8 1-1 -2 -3 . 5z . 7z . 3 3z 1 . 0 z +5 1 2 -3 1 9 +0 7 5 3 - 4) -3 7 8 0 1 1 z 4) . 4 3() 7
-1 -2 4 3 -1 -1 -2

() 6

由式 ( ) 6 可得 :
-1 -1 . 5z 2 . 7z 3 A( ) -3 7 8 +5 1 2 -3 1 9 z =1 . 0 z

-1 -1 . 4z 2 . 2 6-3 D( ) -2 4 2 +2 2 8 -0 9 1 z + z =1 . 2 z

(1 1)

+0 7 5 3 . 3 3z
-1 -6 -3

-4

+2 9 z 1 .z 3 P( ) 8 . -2 5 z ) 0 0 -6 9 7 z =8 1 3 3 1

( =1 0 2 8 +1 1 3 . 2z B z ) 0 ( . 8 1 . 5 z +1 7 9
-4

(2 1) 5z 5 . z -1 0 7 +1 . 8 () 4 5z C z =9 . 7 -2 6 +2 5 5 2 1 . z 7 5

+1 1 3 +0 2 8 z ) . 5z .81 () 8 根 据 精 密 工 作 台 的 运 动 控 制 要 求, 定 控 制 器 确 控制带宽为 9 Hz阻尼率为 0 7 根据式 ( ) ( ) 0 , .。 3、4确 定的控制系统的各项阶数条件 , 确定 控 制 多 项 式 Ac 观测多项式 Ao z 1) 数 为 4阶 且 有 ( - 1) 4阶 , (- 阶 z 为 实的重极点 , 系统的特征多项式参数就可以确定 。 ( - 1 =( 2 . 0 z . 4 8 ( 2 . 2 + Ac z ) z-1 7 9 +0 7 6 ) z-1 5 z 064) .17 () 9
2 ( - 1 =( -0 4 9 2 z . 0z . 4 8 1 ) Ao z ) z . 9 )( -1 7 9 +0 7 6 )( 0 -1 以及 C z 的阶 次 分 别 为 4和 4 通 过 () , Z P( ) D ( ) z、

(3 1)

3 运动控制实验
运 动 控 制 卡 为 具 有 开 放 伺 服 算 法 的 T ro ub 输出电压 ±1 . V。 运动 11 / 00 P MAC , 6位 D A 输出 , 控制卡的采样周期即控制卡的 D A 刷新周期 T 为 / 1 0? 。直线电机反馈光栅分辨率为 0 1? 工作 1 s . m。 台及控制器参数如表 1所示 。 利用 P MAC的数据采 集功能 , 集 光 栅 数 据 , 后 利 用 Malb绘 出 控 制 采 然 t a 结果 。

解式 ( ) 2 所示的方程可得 : - 5 0

基于极点配置的直线电机运动控制器设计

杨开明 , 叶佩青 , 尹文生

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t tt t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t 精密工作台采用美国宝德公司的 L 1 F 直 MF 4 D 线电机 , 电流环控制器的控制周期为 1 5? , 2 s控制带 宽为 2 0 rd s 0 0a /。 图 2所 示 为 本 文 所 提 方 法 设 计 的 控 制 器 1 m ? 的仿真和实测阶跃响应曲线 。 由图 2可以看出 , 系统 的上升时间 、 超调量 、 建立时间与仿真结果都比较吻 合, 系统有较好的动态响应特性 。

图 4 精密工作台轨迹跟踪误差

跟踪精度得到提高 , 控制器具有较好的动态特性 。

4 结



文中基于极点配置的方法设计精密工作台运动 控制器 , 增加了控制器设计自由度 , 有利于设计出高
图 2 精密工作台实测 1 m 阶跃响应 ?

性能运动控制器 。通过比较 P +AF与本文提出控 D 制器两种方式的 控 制 结 果 , 明 采 用 基 于 极 点 配 置 表 方法设计的控制 器 , 以 有 效 地 提 高 精 密 工 作 台 的 可 轨迹跟踪精度 , 而且控制器动态特性较好 。

图 3比较了 P +AF 比例微分 + 加速度前馈 ) ( D 控制器与文中设计的控制器在无控制指令输入时精 密工作台的静态定位误差 。 可以看出 , 采用 P +AF D 控制时, 静态定位误差在 ± 1 m 之 间 , 采 用 P 当 ? D+ 静态定位误差在 ±0 5 m 之间 。 +D .? AF OB控制时 ,

参考文献
[] 大 1 二郎, 山定治, 桥康二. 密· 超 精 密 位 置 决 羽 大 精 CD 现状 E 将来予想 [] 精 密 工 学 会 志 , 0 1 G ( ) 20,H2I F. 13 H H J1 K 精 [ ] 堀 内 宰 . 密 · 超 精 密 位 置 决 C D 高 速 化 [] 精 密 工 2 F. 学会志 , 0 1 G ( ) 1 L K 2 0 , H 2 I H J1 3 新野秀惠 . 高速 MNO 一 PQ 位 置 决 C R 一 S [ ] 桥诘等 , 3 QTUR V D 开 发 E 基 本 特 性 评 价 [ ] 日 本 机 械 学 W. 会论文集 , L K G ( 2 ) I 1 J4 G 1 L , 4 G GW 4 1 1 U [ ] 涌 井 伸 二 . R 一 X 位 置 制 御 系 D PD 调 整 Y 关 一 考 4 I 察 [] 精密工学会志 , L L G ( ) H 3 G 1 L , 5 5 I G JH H F. [ ] 5 W [a Z \J ]s\ W ^ ,]^ d_ aa B b sc a ^ Z\ \r ‘ \ rs^,F\ d er.f h\ ^ P c Pa^ \ [^^s g^ d d i^ cjm^ hM^Z d k_ hi h Z li jb a m nr\ ^ Mi ^ nr D ohc d ri \ a sc ^^^ j dc i __ a ^e W \rc[ . Mf Fb\ ci p a jd s^ i hi A] Ad i ra nD \ m_ phm M^s rm^ h dW \rcF, L 5 1 H G 1 4 ab^ \ A\ i hi[] 1 L , 1 I 4 JG 4

图 3 精密工作台静态定位误差

图 4比 较 了 P D+ AF与 本 文 设 计 的 控 制 器 的 轨迹跟踪性能 。 精密工作台以 1 0 2 mm/ 匀速运动 。 s 采 用 P D+AF控制方式时 的 轨 迹 跟 踪 误 差 稳 态 值 I 为 1 5 m, . ? 工作台跟踪误差波动范围为 ±3 m, ? 而采 用 预 测控制方式时误差稳态 值 为 0 5 m, 迹 跟 踪 .? 轨 误差波动范围为 ±1 m。 ? 由图 2 图 3 图 4可以看出 , 采用极点配置的方 、 、 法 设 计精密工作 台 运 动 控 制 器 , 密 工 作 台 的 轨 迹 精

[ ] ]p ^ rj q a Ia i H \ ‘P iZa‘ ,i \D r^L \ a . i^ra^ \ a d b P c cjm^ h dohc ij _^s A] Abi h [ ] 2 0 , L 1 0 __ \ hZnhr[ , hma_ F , 0 3 3 I 1 3 a c j J1 0 1H 作 者 简 介I 开 明 (L0 ) 男, 华 大 学 教 授, 士 研 杨 博 1H J , 清 究生 , 从事运动控制技术研究 。

[_ s\ _eh n\ h \ s a _o b _o 2 d id r h ^ s __ b j_ Z h p i Z r\ s \ \ r^

s 5 s 1


基于极点配置的直线电机运动控制器设计.pdf

基于极点配置的直线电机运动控制器设计 - 基于极点配置的直线电机运动控制器设计 杨开明, 叶佩青, 尹文生 伺服控制?SERVO TECHNIQUE 基于极点配置的直线电机运动控制...

基于极点配置的直线伺服系统H∞速度控制器设计.pdf

基于极点配置的直线伺服系统H∞速度控制器设计 - 针对永磁直线同步电机(PMLS

基于极点配置的直线电机运动控制器设计.pdf

基于极点配置的直线电机运动控制器设计 - 基于极点配置的直线电机运动控制器设计 杨开明 , 叶佩青 , 尹文生 = = = = = = = = = = = = = = = = =...

基于极点配置的直线伺服系统H_速度控制器设计.pdf

基于极点配置的直线伺服系统H_速度控制器设计 - 第 5 卷第 4 期 2007

基于极点配置的控制器设计与仿真.doc

计算机控制理论与设计作业题 目 :基于极点配置方法的直流调速系统的控制器设计 I...基于极点配置的直线电机... 3页 3下载券 5 极点配置与观测器的设... ...

直线电机运动控制系统的软件设计与实现_王海霞.pdf

10.3724/SP.J.1187.2013.00264 直线电机运动控制系统的软件设计与实现王海霞 颜...基于极点配置的直线电机... 3页 3下载券 直线电机:直线运动和位... 2...

基于极点配置方法的直流电机转速控制系统设计.doc

基于极点配置方法的直流电机转速控制系统设计 - 摘要 建模、控制与优化是控制理论要解决的主要问题。在这些问题中,广泛采用 了现代数学方法,使得控制理论的研究不断...

基于极点配置的PID控制器的再设计_向学军_图文.pdf

基于极点配置的PID控制器的再设计_向学军 - 8 第 1 卷第4 期 19 6

基于零极点配置的伺服控制器设计.pdf

基于极点配置的伺服控制器设计 - 结合计算机控制技术和现代控制理论,介绍了一种零极点配置控制器的设计原理和方法,建立了稀土永磁无刷直流电机位置伺服系统的数学...

直线电机在数控机床中的应用及其控制算法与常见问题.doc

直线电机在高速数控机床中的应用摘要: 高速切削加工...可以灵活地实现极点配置、 最优控制等多种控制技术,...文献[6]采用一种串联的滑模变结构控制器设计交流...

基于ZPETC和DOB的直线电机控制器设计及实验研究_李志军.pdf

基于ZPETC和DOB的直线电机控制器设计及实验研究_李志军 - 134 第 3

基于极坐标法的直线电机XY平台轮廓控制.pdf

理论推导与仿真结果表明所设计控制系统能有效提高直线电机 XY平台的轮廓加工精度 ...与极点配置 方法使等效误差动态稳定 ,进而减小轮廓误差 ,达到直 线电机 XY平台...

直线电机的PID控制器设计.doc

本科毕业论文:直线电机 PID 控制器设计 基于 MATLAB 的直线电机 PID 控制器设计...基于极点配置的直线电机... 3页 3下载券 直线电机伺服系统的复合... 4...

数控机床直接驱动系统极点配置鲁棒控制器设计.pdf

2 直接驱动直线伺服系统速度极点配置 H 控制 器的设计 对永磁直线电机进行矢量...4 结论 为了解决数控机床直接驱动直线伺服系统的扰动 问题, 使用 了 基于 LM ...

基于多项式极点配置的ASVG数字控制器设计_论文.pdf

基于多项式极点配置的ASVG数字控制器设计 - 提出一种采用多项式极点配置的ASVG数字控制器设计的方法,该方法是基于dq坐标系下建立的数学模型,进行双闭环数字控制器...

直线电机的线性自抗扰控制_刘川_图文.pdf

针对该系统的直线电机模型设计 微动电机的运动范围和加速度, , 补偿 了一种...( 11 ) 其中, ω0 记为 ESO 的带宽并由极点配置得到。状态 观测器的观测...

基于参数辨识的直线电机速度控制系统仿真研究.pdf

基于参数辨识的直线电机速度控制系统仿真研究 - 研究与开发 基于参数辨识的直线电机速度控制系统仿真研究 刘杰 (广东工业大学自动化学院, 广州 510006 )摘要: 对目前...

自抗扰控制在永磁直线电机控制中的应用_图文.pdf

自抗扰控制在永磁直线电机控制中的应用雷春林,吴捷,...基于扩张状态观测器 (,) 的自抗扰控制器是中科院...[] 来设计, 即利用极点配置的方法获得 , 这就...

基于极点配置设计的buck变换器控制_图文.pdf

基于极点配置设计的buck变换器控制 - ◆技术论坛◆ 2010年8月 第4期 郭慧清 (广东邮电职业技术学院,广州 510630) 摘 要: 将极点配置设计方法应用于buck变换器的...

永磁同步平面电动机三自由度运动控制器_图文.pdf

偏摆限位转矩的力控制策略 此外 基于状态空间极点配置 法 分别设计了与 3 个...台直线电机所产生的电磁推力 以 同时产生动子平移运动所需的 X 向推力 Y 向...