三轴运动平台改进型交叉耦合控制装置及方法
【技术领域】 [0001] ：本发明提供一种=轴运动平台改进型交叉禪合控制装置及方法，属于 数控。
[000引【背景技术】观代数控加工系统中，两轴XY平台轮廓控制已无法满足人们对复杂元 件的加工要求，因此引入=轴运动平台轮廓控制技术，W实现对空间=维零件轮廓的精密 加工。=轴运动平台是受永磁同步直线电机直接驱动，避免了 "滚珠+丝杠"的中间传动环 节，提高系统的加工效率。
【发明内容】
：
[0003] 发明目的：本发明提供一种=轴运动平台改进型交叉禪合控制装置及方法，其目 的是解决W往的方式做存在的问题。
[0004] 技术方案；本发明是通过W下技术方案实现的：
[0005] 一种=轴运动平台改进型交叉禪合控制装置，其特征在于：该装置包括主电路、控 制电路和控制对象=部分；主电路包括交流调压模块、整流滤波模块和IPM逆变模块；控制 电路包括DSP处理器、电流采样电路、动子位置采样电路、电压调整电路、IPM隔离驱动电路 和IPM保护电路追制对象为立相永磁直线同步电机，机身装有光栅尺；电流采样电路、动 子位置采样电路、电压调整电路、IPM隔离驱动电路和IPM保护电路均与DSP处理器连接， IPM隔离驱动电路和IPM保护电路与IPM逆变模块连接，电流采样电路通过霍尔传感器连接 至=相永磁直线同步电机，电压调整电路连接交流调压模块，交流调压模块连接整流滤波 模块，整流滤波模块连接IPM逆变模块，IPM逆变模块连接=相永磁直线同步电机，=相永 磁直线同步电机上的光栅尺与动子位置采样电路连接。
[0006] 利用上述的=轴运动平台改进型交叉禪合控制装置实施的=轴运动平台改进型 交叉禪合控制方法，其特征在于；该方法采用一种轮廓误差估算法，来建立=轴运动平台的 轮廓误差模型，并将单轴跟踪控制与=轴交叉禪合控制相结合，改进了W往的交叉禪合控 制结构，从而保证了系统单轴跟踪精度W及轮廓精度均趋近于零。
[0007] 单轴跟踪控制，单轴跟踪控制采用位置一速度环双闭环控制方式，单轴跟踪控制 系统设计。
[000引速度环采用具有前馈的伪微分反馈控制器，即PDFF控制器，其控制算法表示为：
[0009]
( 1 )
[0010] 其中kf为前馈补偿增益，ki为积分增益，kp为比例增益；速度环控制输入Vd(s)与 实际输出速度函数Vg(S)间的关系为：
[0011]
(2)
[001引扰动输入C(S)与实际输出速度函数Vg(s)间的关系为：
[001 引
[0014] 被控对象采用永磁同步直线电机，其传递函数为
[0015]
[0016] 其中，Gu(s) =l/(Ms+B)为实际被控对象，Kf为电磁推力系数。
[0017] 位置环采用比例控制器，系数为k,，因此整个单轴跟踪控制系统的传递函数可表 示为：
[001 引
[0019] 通过设置固定扰动C，能够验证系统具有较强的抗干扰能力W及较快响应能力。
[0020] 该方法的步骤如下：
[0021] 本发明包括W下具体步骤：
[0022] 步骤1 ;建立=轴运动平台轮廓误差模型：
[0023]S轴运动平台采用是由两两垂直的永磁同步直线电机（PMLSM)，永磁直线同步电 机械方程式为：
[0024]
(6)
[002引式中，Fe;电磁推力；M;永磁直线电机的动子和动子所带负载的总质量；i。为动子q轴电流；Kf;电磁推力系数；B;粘滞摩擦系数；F;系统所受的总扰动力。V是动子速度；V 为动子加速度；
[0026] 选取X(t)和V(t)为系统状态变量，即PMLSM的状态方程可改写为
[0027]
[002引其中，v(t)是电机动子速度；U=i。表示电机的控制输入量；xU)则为直线电机 的位置输出。
[0029] 因此，直接驱动S轴运动平台可W由S个2阶微分方程构成：
[0030]
[0031] 即表示成状态空间的形式为：
[0032](9)
[003引其中，Zi(t)=[Xi(t)X2(t)X3(t) ]T，z:(〇 =[ii的古;(0i：3(0]T，u=[UiU2。3]T，p=[Fi尸2p3]T，Aii= 0,A。=I，A21= 0,A22=diag(-Bi/Mi)，i=X,y,z，均为 3X3 矩 阵；
[0034] 步骤2 轴运动平台轮廓误差模型建立：
[0035] 在=轴运动平台中，轮廓误差模型估计的精度直接影响轮廓控制性能。假设=轴 运动平台中i为命令位置，P为实际位置，位置误差向量为丘，轮廓误差向量为e;R。、Ri为 命令位置上的两点，分别记为R〇(x〇,y〇,z〇)，Ri(Xi,y。Zi) ;Q点为命令位置向量哀上的一点， 坐标记为Q(x，y，Z)。点P到点Ri的距离为位置误差向量怎，表示成数学关系式的形式为：
[0039] 由R。、Ri和Q该立点推出命令位置线性方程式为：
[0040]
。2)
[0041] 假设实际位置P到命令位置哀的最短距离为向量戶0，因此向量为
[0042]
(13)
[0043] 向量7^与向量度相互垂直，内积为零；即7运.哀=0;求出参数t代入到方程式 (12)后可W得到坐标Q，坐标Q求出后可进一步求出轮廓误差值，最后推出轮廓误差e为
[0044]
[0045] 由式（14)可知轮廓误差e在X轴、y轴W及Z轴的分量；
[0046] 步骤轮廓误差的补偿器设计
[0047] 为了减小轮廓误差，希望实际位置P能够向命令位置向量另修正，除了修正位置误 差向量左在各轴分量E,，Ey，氏外，需另外补偿轮廓误差向量'g。因此，选取向量很作为实际 位置到命令位置间轮廓误差e的补偿，补偿量的多少取决于A的大小。因此，把C作为整个 系统的补偿量，实际位置到期望位置的补偿关系式为：
[0048] C= ￡ + ^? (1日）
[0049]通过式（15)，既可W补偿实际位置点P到期望位置点Ri的跟踪误差，又可W补偿 两点间的轮廓误差，使其趋近于命令位置。进而得到整个补偿量C在各轴的分量：
[(K)加]
[0化1] 通过式（16)可使得合成向量C趋近于命令位置路径，其中人为交叉禪合增益值， 影响轮廓误差的修正速度。由合成向量C的几何关系可知A值愈大，C愈偏向命令路径， 修正轮廓误差向量'g的量就会大；
[0化2] 步骤4 ;单轴跟踪控制器设计
[0化3] 为了保证=轴的轮廓精度，单轴跟踪控制也是必不可少的，本发明中单轴跟踪控 制采用速度环控制器和位置环控制器相结合的控制方式，速度环控制器采用PDFF控制方 案，位置环控制器ky采用比例控制方式；
[0化4] 步骤5 ;轮廓控制器设计
[0化5] 由前面所提到的轮廓误差估计法，可知轮廓误差e仅与命令位置哀和实际位置P 有关，属于位置的几何关系，因此所设计的交叉禪合控制器位于控制系统的位置回路部分， 改进了W往的交叉禪合控制结构。
[0056] 交叉禪合控制器的输入为立轴运动平台的给定位置Rx、Ry和RZ和每轴的跟踪误差 Ey、Ey和Ee,、和e,是交叉禪合控制器输出的每一轴的轮廓误差分量。
[0化7] 本发明方法最终由嵌入DSP处理器中的控制程序实现，其控制过程按W下步骤执 行：
[005引步骤1系统初始化；
[0059]步骤2允许TN1、TN2中断；
[0060] 步骤3启动T1下溢中断；
[0061] 步骤4程序数据初始化；
[00创步骤5开总中断；
[0063] 步骤6中断等待；
[0064] 步骤7TN1中断处理子控制程序；
[0065] 步骤8结束。
[0066] 其中步骤7中T1中断处理子控制程序按W下步骤：
[0067] 步骤1T1中断子控制程序；
[0068] 步骤2保护现场；
[0069] 步骤3判断是否已初始定位；是进入步骤4,否则进入步骤10 ;
[0070] 步骤4电流采样，化A服变换，PA服变换；
[0071] 步骤5判断是否需要位置调节；否则进入步骤7 ;
[0072] 步骤6位置调节中断处理子控制程序；
[0073] 步骤7dq轴电