高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的方法及裝置，本發(fā)明控制方法采用模糊滑模控制器，在趨近運動段采用指數(shù)趨近律，在滑模運動段采用模糊控制實現(xiàn)滑模的切換控制，使系統(tǒng)具有較好的魯棒性和抗干擾能力，減小系統(tǒng)運行速度的抖振現(xiàn)象，加快系統(tǒng)的響應速度；本發(fā)明控制裝置包括DSP數(shù)字信號處理器單元、A/D模塊、整流濾波模塊、直線電機、IPM智能功率模塊、編碼器、傳感器、電流檢測模塊、光電隔離模塊和故障檢測模塊等。
【專利說明】
[0001] 高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的方法及裝置
技術(shù)領域
[0002] 本發(fā)明屬于電機控制領域，尤其涉及一種應用于高精數(shù)控機床上的控制直線伺服 系統(tǒng)運行速度的方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 隨著超高速切削、超精密加工等先進制造技術(shù)的發(fā)展，對現(xiàn)代機床各項性能提出 了越來越高的要求，因而傳統(tǒng)的進給系統(tǒng)，諸如"旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杜"技術(shù)已難以滿足 高精度數(shù)控機床對最大進給速度和定位精度的要求。直線電機因其無需中間機械變換裝置 即可產(chǎn)生直線機械運動的優(yōu)點，而被廣泛地應用于各種直線運動的場合，尤其是以高效率 和高精度為基本特征的高速加工領域。但是，直線電機特有的這種傳動方式會使系統(tǒng)參數(shù) 的變化及各種不確定擾動直接作用在直線電機上，大大增加系統(tǒng)的控制難度，影響到系統(tǒng) 性能。因此，對直線伺服系統(tǒng)控制策略的研究顯得尤為重要。
[0004] 目前對直線伺服系統(tǒng)采取的控制策略主要包括:傳統(tǒng)控制方法、現(xiàn)代控制方法和 智能控制方法。但是在現(xiàn)代工業(yè)的實際應用中，無論是以PID控制為代表的傳統(tǒng)控制策略， 還是魯棒控制、自適應控制、H〇〇等現(xiàn)代控制策略，或者是單純的智能控制策略都存在一些 問題，例如:推力波動大、精度不夠高、魯棒性差等，均難以達到理想的控制效果，不能滿足 高性能直線伺服系統(tǒng)的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種用于高精數(shù)控機床的控制直線伺 服系統(tǒng)運行速度的方法及裝置，能夠明顯減小推力波動、加快系統(tǒng)響應速度、增強系統(tǒng)的魯 棒性。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案之一是： 一種用于高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的裝置，該裝置包括整流濾波模 塊、IPM智能功率模塊、直線電機(PMLSM)、DSP數(shù)字信號處理器單元、A/D模塊、故障檢測保護 模塊、光電隔離模塊、電流檢測模塊、編碼器、傳感器、鍵盤顯示。
[0007] 所述DSP數(shù)字信號處理器單元包括:存儲器、時鐘、振蕩器和鎖相環(huán)、看門狗模塊、 CPU定時、通用輸入/輸出口（GPI0)，外圍中斷擴展PIE、通用定時器、比較單元、P麗電路、正 交編碼脈沖QEP電路、串行通信接口、軟件存儲器、驅(qū)動器。
[0008] 所述軟件存儲器和驅(qū)動器用于實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)控制器和模糊滑?？刂破鞯墓δ埽⒂?于給定系統(tǒng)磁鏈、給定直線電機的運動速度和位置。
[0009] 所述整流濾波模塊連接至IPM智能功率模塊，IPM智能功率模塊連接至直線電機 (PMLSM)，另一方面，電流檢測模塊采集IPM智能功率模塊輸出的相電流，并將采集的信號傳 遞給DSP數(shù)字信號處理器單元中的A/D模塊;所述傳感器通過編碼器與直線電機(PMLSM)連 接，并與DSP數(shù)字信號處理器單元連接，檢測直線電機的速度與位置，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?傳遞給DSP數(shù)字信號處理器單元;所述DSP數(shù)字信號處理器單元與所述IPM智能功率模塊之 間連接有光電隔離模塊以及故障檢測保護模塊，故障檢測保護模塊的作用主要是對整流濾 波模塊及IPM智能功率模塊進行檢測保護;DSP數(shù)字信號處理器單元還與外部的鍵盤顯示相 連接，鍵盤顯示的作用是數(shù)據(jù)輸入和顯示。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案之二是： 一種用于高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的方法，所述控制方法包括以下 步驟： 步驟1，對直線電機的位置、速度等初始值進行設置； 步驟2，DSP數(shù)字信號處理器單元對上述初始值進行循環(huán)掃描處理，執(zhí)行中斷程序； 步驟3,在沒有故障的情況下，DSP數(shù)字信號處理器單元讀取電流檢測模塊傳感器采集 到的信號并進行處理，計算系統(tǒng)估計磁鏈和系統(tǒng)估計推力的大??； 步驟4，DSP數(shù)字信號處理器單元將采集到的直線電機速度信號通過模糊滑?？刂破魈?理，得到系統(tǒng)實際推力，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)控制器的處理，得出磁鏈偏差角，將磁鏈偏差角與之 前得到的系統(tǒng)估計磁鏈相加，得到預測電壓矢量，并作為IPM智能功率模塊的輸入控制信 號； 步驟5，IPM智能功率模塊根據(jù)上述預測電壓矢量控制直線電機運行，系統(tǒng)進入下一個 循環(huán)周期。
[0011] 所述一種用于高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的方法，在趨近運動段 采用指數(shù)趨近律，使系統(tǒng)的運行速度快速到達切換面，在滑模運動段采用模糊控制實現(xiàn)滑 模的切換控制，可減小系統(tǒng)運行的抖振現(xiàn)象。該控制方法將模糊控制與滑?？刂葡嘟Y(jié)合，設 計一種模糊滑?？刂破鳎⒉捎秒妷侯A測的方式實現(xiàn)了對直線電機直接推力的控制。
[0012] 所述模糊滑模控制器的設計步驟如下： 步驟1，確定模糊滑?？刂破鞯妮斎?將直線電機的給定速度、直線電機的實際速度、直 線電機的給定速度與實際速度的誤差及直線電機給定速度與實際速度的誤差變化率作為 模糊滑模控制器的輸入； 步驟2,設計滑模面； 步驟3,選取指數(shù)趨近律； 步驟4，確定滑模切換控制量； 步驟5，驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 步驟6，確定模糊控制的模糊集： 步驟7,設計模糊規(guī)則； 步驟8，進行反模糊化； 步驟9，確定輸出，得出系統(tǒng)實際推力。
[0013] 所述一種用于高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的方法，其完整的控制 過程包括如下步驟： 步驟1，輸入直線電機初始參數(shù)及直線電機的給定速度、系統(tǒng)給定磁鏈； 步驟2,對逆變器輸出的電壓、電流進行坐標變換，從而進行系統(tǒng)磁鏈和推力的估算，得 到系統(tǒng)估計磁鏈和系統(tǒng)估計推力； 步驟3,進行上述模糊滑?？刂破鞯脑O計步驟，得出系統(tǒng)實際推力； 步驟4,根據(jù)系統(tǒng)實際推力與系統(tǒng)估計推力得出推力偏差； 步驟5:將推力偏差進行PI調(diào)節(jié)，得出磁鏈偏差角； 步驟6:將上述磁鏈偏差角、系統(tǒng)給定磁鏈、系統(tǒng)估計磁鏈作為輸入，進行參考電壓預 測，得出預測電壓矢量； 步驟7:通過預測電壓矢量控制SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制），從而控制逆變器； 步驟8:逆變器輸出的電壓控制直線電機的運動，然后進入下一個控制周期。
[0014] 本發(fā)明的有益效果： 1、 本發(fā)明采用直接推力控制方式，減少了復雜的坐標變換； 2、 本發(fā)明控制方法在趨近運動段采用指數(shù)趨近律，使系統(tǒng)快速到達切換面，在滑模運 動段采用模糊控制實現(xiàn)滑模的切換控制，可減小系統(tǒng)運行的抖振現(xiàn)象； 3、 本發(fā)明采用模糊控制和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的控制方法，加快系統(tǒng)的運行速度響應時 間，提高了系統(tǒng)的魯棒性。
[0015]
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明控制裝置的硬件系統(tǒng)框圖； 圖2為本發(fā)明控制方法的系統(tǒng)框圖； 圖3為本發(fā)明控制方法的主程序流程圖； 圖4為本發(fā)明控制方法的系統(tǒng)中斷程序流程圖。
[0017]圖中：V*-直線電機的給定速度;V-直線電機的實際速度;F*-系統(tǒng)實際推力； F-系統(tǒng)估計推力；Φ*-系統(tǒng)給定磁鏈;Φ-系統(tǒng)估計磁鏈;ei-直線電機的給定速度與實 際速度的誤差;e2-直線電機給定速度與實際速度的誤差變化率;u f-滑模切換控制輸出； ueq-滑模等效控制輸出;FC-模糊控制;SMC-滑模變結(jié)構(gòu)控制。
[0018]
【具體實施方式】
[0019] 為了進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合附圖并舉實例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明一種應用于高精數(shù)控機床的直線伺服系統(tǒng)運行速度的控制裝 置，其包括:整流濾波模塊、IPM智能功率模塊、直線電機(PMLSM)、DSP數(shù)字信號處理器單元、 A/D模塊(圖中未標出）、故障檢測保護模塊、光電隔離模塊、電流檢測模塊、編碼器、傳感器、 鍵盤顯不〇
[0021] 整流濾波模塊連接至IP Μ智能功率模塊，IP Μ智能功率模塊連接至直線電機 (PMLSM)，另一方面，電流檢測模塊采集ΙΡΜ智能功率模塊輸出的相電流，并將采集的信號傳 遞給DSP數(shù)字信號處理器單元中的A/D模塊（圖中未標出）；傳感器通過編碼器與直線電機 (PMLSM)連接，并與DSP數(shù)字信號處理器單元相連接，檢測直線電機的速度與位置，并將其轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娦盘杺鬟f給DSP數(shù)字信號處理器單元;所述DSP數(shù)字信號處理器單元與所述ΙΡΜ智能 功率模塊之間連接有光電隔離模塊以及故障檢測保護模塊，故障檢測保護模塊的作用主要 是對整流濾波模塊及ΙΡΜ智能功率模塊進行檢測保護;DSP數(shù)字信號處理器單元還與外部的 鍵盤顯示相連接，鍵盤顯示的作用是數(shù)據(jù)輸入和顯示。
[0022] 所述DSP數(shù)字信號處理器單元包括:存儲器、時鐘、振蕩器和鎖相環(huán)、看門狗模塊、 CPU定時、通用輸入/輸出口（GPI0)，外圍中斷擴展PIE、通用定時器、比較單元、P麗電路、正 交編碼脈沖QEP電路、串行通信接口、軟件存儲器、驅(qū)動器。
[0023] 所述軟件存儲器和驅(qū)動器用于實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)控制器和模糊滑?？刂破鞯墓δ埽⒂?于給定系統(tǒng)磁鏈、給定直線電機的運動速度和位置。
[0024] 本發(fā)明設計了一種應用于高精數(shù)控機床的直線伺服系統(tǒng)運行速度的控制方法，所 述控制方法具體包括以下步驟： 步驟1，對直線電機的位置、速度等初始值進行設置； 步驟2，DSP數(shù)字信號處理器單元對上述初始值進行循環(huán)掃描處理，執(zhí)行中斷程序； 步驟3,在沒有故障的情況下，DSP數(shù)字信號處理器單元讀取電流檢測模塊和傳感器采 集到的信號并進行處理，計算系統(tǒng)估計磁鏈和系統(tǒng)估計推力的大?。?步驟4，DSP數(shù)字信號處理器單元將采集到的直線電機速度信號通過模糊滑模控制器處 理，得到系統(tǒng)實際推力，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)控制器的處理，得出磁鏈偏差角，將磁鏈偏差角與之 前得到的系統(tǒng)估計磁鏈相加，得到預測電壓矢量，并作為IPM智能功率模塊的輸入控制信 號； 步驟5，IPM智能功率模塊根據(jù)上述預測電壓矢量控制直線電機運行，系統(tǒng)進入下一個 循環(huán)周期。
[0025]如圖2所示，所述控制方法采用模糊滑模控制器，將滑模變結(jié)構(gòu)控制SMC和模糊控 制FC相結(jié)合。所述模糊滑?？刂破鲗⒒Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制SMC作為前向通道控制，將直線電機的 運動速度作為滑模變結(jié)構(gòu)控制SMC的輸入，得到滑模等效控制輸出u eq，在趨近運動段采用指 數(shù)趨近律，當系統(tǒng)受到外界擾動時，可快速跟蹤給定信號，響應速度快;所述控制方法通過 模糊控制FC實現(xiàn)滑模切換控制，將直線電機運動給定速度與實際速度的誤差 ei及其變化率 e2作為模糊控制FC的輸入，通過模糊規(guī)則模糊推理和反模糊化得到模糊控制FC的輸出，即 是滑模切換控制輸出Uf。
[0026]上述模糊滑?？刂破鞯脑O計步驟如下： 步驟1:確定模糊滑模控制器的輸入:將直線電機的給定速度V*、直線電機的實際速度 V、直線電機的給定速度與實際速度的誤差的及直線電機給定速度與實際速度的誤差變化 率e2作為模糊滑?？刂破鞯妮斎?；
步驟2:設計滑模面為k 一…， 步驟3:選取指數(shù)趨近律： w
^ 步驟4:確定滑模切換控制量:us = -|sgn(s);
步驟5:驗證其穩(wěn)定性:取Lyapunov函數(shù)為： 求導得：
將
，+ ^ - - oy· ·\ 入可得：
因為ξ、Κ為大于0的常數(shù)， 0
i成立，證明系統(tǒng)在模糊滑?？刂破鞯淖饔孟率欠€(wěn)定的； 步驟6:確定模糊控制的模糊集： s={NB ΝΜ ΓΤ % m
us={NB NM NS ZO PS PM PB} 步驟7:依據(jù)if(E is A)and(Ec is B)then(k is C)設計模糊規(guī)則； 步驟8:采用
進行反模糊化； 步驟9:確定輸出:得出系統(tǒng)實際推力F*。
[0027] 如圖2所示，本發(fā)明一種應用于高精數(shù)控機床的直線伺服系統(tǒng)運行速度的控制方 法，其完整的控制過程即實現(xiàn)方法包括如下步驟： 步驟1:輸入直線電機初始參數(shù)及直線電機的給定速度V*、系統(tǒng)給定磁鏈Φ*; 步驟2:對逆變器輸出的電壓、電流進行坐標變換，從而進行系統(tǒng)磁鏈和推力的估算，得 到系統(tǒng)估計磁鏈Φ和系統(tǒng)估計推力F; 步驟3:進行上述模糊滑?？刂破鞯脑O計步驟，得出系統(tǒng)實際推力F*; 步驟4:根據(jù)系統(tǒng)實際推力F*與系統(tǒng)估計推力F得出推力偏差； 步驟5:將推力偏差進行PI調(diào)節(jié)，得出磁鏈偏差角； 步驟6:將上述磁鏈偏差角、系統(tǒng)給定磁鏈Φ*、系統(tǒng)估計磁鏈ιΗ乍為輸入，進行參考電壓 預測，得出預測電壓矢量； 步驟7:通過預測電壓矢量控制SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制），從而控制逆變器； 步驟8:逆變器輸出的電壓控制直線電機的運動，然后進入下一個控制周期。
[0028] 如圖3所示，為本發(fā)明控制方法的主程序流程如下，包括:系統(tǒng)初始化，寄存器和變 量的初始化，中斷初始化，讀取傳感器檢測的初始值，故障檢測，開中斷，執(zhí)行中斷控制子程 序，關中斷，進入下一個循環(huán)。其中，故障檢測主要是對傳感器檢測到的數(shù)值信號進行故障、 過流判斷，若是存在故障，進行故障處理，故障處理完成后返回上一步重新進行檢測，再進 行故障檢測，直至無故障則執(zhí)行下一步。
[0029] 如圖4所示，為本發(fā)明控制方法的中斷程序流程如下，包括:開中斷，保存變量，坐 標變換，估算推力和磁鏈，調(diào)用模糊滑?？刂破?，調(diào)用PI控制器，調(diào)用電壓預測程序，執(zhí)行 SVPWM模塊，數(shù)據(jù)保存，中斷返回。其中坐標變換主要是對采集到的逆變器輸出的相電流進 行Clark變換;估算推力和磁鏈是對變換所得到的電流值進行計算，得到系統(tǒng)估計磁鏈Φ和 系統(tǒng)估計推力F;調(diào)用模糊滑?？刂破髦饕且灾本€電機的給定速度V*、檢測得到的直線電 機的實際速度V、直線電機的給定速度與實際速度的誤差 ei、直線電機給定速度與實際速度 的誤差變化率e2為輸入值，通過前面所述的控制算法進行處理，得到系統(tǒng)實際推力F*;調(diào)用 PI控制器主要是對所述系統(tǒng)實際推力F*和系統(tǒng)估計推力F進行處理，得到磁鏈偏差角；調(diào) 用電壓預測程序主要是以所述的磁鏈偏差角、系統(tǒng)估計磁鏈Φ、系統(tǒng)估計推力F為輸入，通過 處理得到預測電壓矢量;執(zhí)行SVPWM模塊主要是通過電壓空間矢量直接生成三相PWM波，完 成對電機的控制。
[0030]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技 術(shù)領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的裝置，包括:整流濾波模塊、IPM 智能功率模塊、直線電機、DSP數(shù)字信號處理器單元、A/D模塊、故障檢測保護模塊、光電隔離 模塊、電流檢測模塊、編碼器、傳感器、鍵盤顯示;所述整流濾波模塊連接至IPM智能功率模 塊，IPM智能功率模塊連接至直線電機，所述電流檢測模塊采集IPM智能功率模塊輸出的相 電流，并將采集的信號傳遞給DSP數(shù)字信號處理器單元中的A/D模塊;所述傳感器通過編碼 器與直線電機連接，并與DSP數(shù)字信號處理器單元連接，將直線電機的速度與位置信號傳遞 給DSP數(shù)字信號處理器單元;所述DSP數(shù)字信號處理器單元與所述IPM智能功率模塊之間連 接有光電隔離模塊以及故障檢測保護模塊;所述DSP數(shù)字信號處理器單元還與外部的鍵盤 顯示相連接;其特征在于，所述DSP數(shù)字信號處理器單元包括軟件存儲器和驅(qū)動器，用于實 現(xiàn)PI調(diào)節(jié)控制器和模糊滑?？刂破鞯墓δ?。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的裝置，其特征 在于，所述DSP數(shù)字信號處理器單元還包括：存儲器、時鐘、振蕩器和鎖相環(huán)、看門狗模塊、 CPU定時、通用輸入/輸出口，外圍中斷擴展PIE、通用定時器、比較單元、pmi電路、正交編碼 脈沖QEP電路、串行通信接口。3. -種高精數(shù)控機床的控制直線伺服系統(tǒng)運行速度的方法，其特征在于包括以下步 驟： 步驟1，對直線電機的位置、速度等初始值進行設置； 步驟2，DSP數(shù)字信號處理器單元對上述初始值進行循環(huán)掃描處理，執(zhí)行中斷程序； 步驟3,在沒有故障的情況下，DSP數(shù)字信號處理器單元讀取電流檢測模塊和傳感器采 集到的信號并進行處理，計算系統(tǒng)估計磁鏈和系統(tǒng)估計推力的大小； 步驟4，DSP數(shù)字信號處理器單元將采集到的直線電機速度信號通過模糊滑?？刂破魈?理，得到系統(tǒng)實際推力，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)控制器的處理，得出磁鏈偏差角，將磁鏈偏差角與之 前得到的系統(tǒng)估計磁鏈相加，得到預測電壓矢量，并作為IPM智能功率模塊的輸入控制信 號； 步驟5，IPM智能功率模塊根據(jù)上述預測電壓矢量控制直線電機運行，系統(tǒng)進入下一個 循環(huán)周期。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法將模糊控制與滑?？刂?相結(jié)合，設計一種模糊滑?？刂破鳎瞿：？刂破髟谙到y(tǒng)趨近運動段采用指數(shù)趨近 律，在系統(tǒng)滑模運動段采用模糊控制實現(xiàn)滑模的切換控制，采用電壓預測的方式實現(xiàn)了直 線電機的直接推力控制。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述模糊滑模控制器的設計步驟如 下： 步驟1，確定模糊滑模控制器的輸入:將直線電機的給定速度、直線電機的實際速度、直 線電機的給定速度與實際速度的誤差及直線電機給定速度與實際速度的誤差變化率作為 模糊滑?？刂破鞯妮斎?； 步驟2,設計滑模面； 步驟3,選取指數(shù)趨近律； 步驟4，確定滑模切換控制量； 步驟5，驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 步驟6，確定模糊控制的模糊集： 步驟7,設計模糊規(guī)則； 步驟8，進行反模糊化； 步驟9，確定輸出，得出系統(tǒng)實際推力。
【文檔編號】H02P21/00GK105932918SQ201610309272
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】林健, 郭秀杰, 王東杰
【申請人】南京工程學院