三軸運(yùn)動平臺改進(jìn)型交叉耦合控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001] ：本實(shí)用新型提供一種三軸運(yùn)動平臺改進(jìn)型交叉耦合控制裝置及方法， 屬于數(shù)控。
[0002]
【背景技術(shù)】：現(xiàn)代數(shù)控加工系統(tǒng)中，兩軸XY平臺輪廓控制已無法滿足人們對復(fù)雜元 件的加工要求，因此引入三軸運(yùn)動平臺輪廓控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對空間三維零件輪廓的精密 加工。三軸運(yùn)動平臺是受永磁同步直線電機(jī)直接驅(qū)動，避免了"滾珠+絲杠"的中間傳動環(huán) 節(jié)，提高系統(tǒng)的加工效率。 【實(shí)用新型內(nèi)容】：
[0003] 實(shí)用新型目的：本實(shí)用新型提供一種三軸運(yùn)動平臺改進(jìn)型交叉耦合控制裝置及方 法，其目的是解決以往的方式做存在的問題。
[0004] 技術(shù)方案：本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種三軸運(yùn)動平臺改進(jìn)型交叉耦合控制裝置，其特征在于：該裝置包括主電路、控 制電路和控制對象三部分；主電路包括交流調(diào)壓模塊、整流濾波模塊和IPM逆變模塊；控制 電路包括DSP處理器、電流采樣電路、動子位置采樣電路、電壓調(diào)整電路、IPM隔離驅(qū)動電路 和IPM保護(hù)電路；控制對象為三相永磁直線同步電機(jī)，機(jī)身裝有光柵尺；電流采樣電路、動 子位置采樣電路、電壓調(diào)整電路、IPM隔離驅(qū)動電路和IPM保護(hù)電路均與DSP處理器連接， IPM隔離驅(qū)動電路和IPM保護(hù)電路與IPM逆變模塊連接，電流采樣電路通過霍爾傳感器連接 至三相永磁直線同步電機(jī)，電壓調(diào)整電路連接交流調(diào)壓模塊，交流調(diào)壓模塊連接整流濾波 模塊，整流濾波模塊連接IPM逆變模塊，IPM逆變模塊連接三相永磁直線同步電機(jī)，三相永 磁直線同步電機(jī)上的光柵尺與動子位置采樣電路連接。
[0006] 利用上述的三軸運(yùn)動平臺改進(jìn)型交叉耦合控制裝置實(shí)施的三軸運(yùn)動平臺改進(jìn)型 交叉耦合控制方法，其特征在于：該方法采用一種輪廓誤差估算法，來建立三軸運(yùn)動平臺的 輪廓誤差模型，并將單軸跟蹤控制與三軸交叉耦合控制相結(jié)合，改進(jìn)了以往的交叉耦合控 制結(jié)構(gòu)，從而保證了系統(tǒng)單軸跟蹤精度以及輪廓精度均趨近于零。
[0007] 單軸跟蹤控制，單軸跟蹤控制采用位置一速度環(huán)雙閉環(huán)控制方式，單軸跟蹤控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
[0008]速度環(huán)采用具有前饋的偽微分反饋控制器，即TOFF控制器，其控制算法表示為：
[0010]其中kf為前饋補(bǔ)償增益，ki為積分增益，kp為比例增益；速度環(huán)控制輸入Vd(S)與 實(shí)際輸出速度函數(shù)Va(S)間的關(guān)系為：
[0012] 擾動輸入U(xiǎn)s)與實(shí)際輸出速度函數(shù)Va(S)間的關(guān)系為：
[0016] 其中，Gq(S) =lAMs+B)為實(shí)際被控對象，Kf為電磁推力系數(shù)。
[0017] 位置環(huán)采用比例控制器，系數(shù)為kx，因此整個單軸跟蹤控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表 示為：
[0019] 通過設(shè)置固定擾動I，能夠驗(yàn)證系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力以及較快響應(yīng)能力。
[0020] 該方法的步驟如下：
[0021] 本實(shí)用新型包括以下具體步驟：
[0022] 步驟1 :建立三軸運(yùn)動平臺輪廓誤差模型：
[0023] 三軸運(yùn)動平臺采用是由兩兩垂直的永磁同步直線電機(jī)（PMLSM)，永磁直線同步電 機(jī)械方程式為：
[0024] Pte =K人' =AU，jTBv+F (、6 )
[0025] 式中，F(xiàn)f3:電磁推力；M:永磁直線電機(jī)的動子和動子所帶負(fù)載的總質(zhì)量；iq為動子 q軸電流；Kf:電磁推力系數(shù)；B:粘滯摩擦系數(shù)；F:系統(tǒng)所受的總擾動力。V是動子速度；f 為動子加速度；
[0026] 選取X⑴和V⑴為系統(tǒng)狀態(tài)變量，即PMLSM的狀態(tài)方程可改寫為
[0028] 其中，V(t)是電機(jī)動子速度；u=iq表示電機(jī)的控制輸入量；X⑴則為直線電機(jī) 的位置輸出。
[0029] 因此，直接驅(qū)動三軸運(yùn)動平臺可以由三個2階微分方程構(gòu)成：
[0031] 即表示成狀態(tài)空間的形式為：
[0033]其中，Z1U) = [X1U)x2(t)x3(t)]T，= 4(:0]:1'，u= [U1U2u3] T，P= [F1F2F3]T，A11= 0,A12=I，A21= 0,A22=diag(-Bi/IVQ，i=x，y，z，均為 3X3 矩 陣；
[0034] 步驟2 :三軸運(yùn)動平臺輪廓誤差模型建立：
[0035] 在三軸運(yùn)動平臺中，輪廓誤差模型估計(jì)的精度直接影響輪廓控制性能。假設(shè)三軸 運(yùn)動平臺中々為命令位置，P為實(shí)際位置，位置誤差向量為及，輪廓誤差向量為IRrR1為命 令位置上的兩點(diǎn)，分別記為R〇(x。，y。，z。)，R1U1,Y1,Z1) ;Q點(diǎn)為命令位置向量發(fā)上的一點(diǎn)，坐 標(biāo)記為Q(x，y，z)。點(diǎn)P到點(diǎn)&的距離為位置誤差向量i,表示成數(shù)學(xué)關(guān)系式的形式為：
[0043]向量^與向量I相互垂直，內(nèi)積為零；S卩70.萬=〇;求出參數(shù)t代入到方程式 (12)后可以得到坐標(biāo)Q，坐標(biāo)Q求出后可進(jìn)一步求出輪廓誤差值，最后推出輪廓誤差g為
[0045] 由式（14)可知輪廓誤差g在X軸、y軸以及z軸的分量；
[0046] 步驟三：輪廓誤差的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)
[0047] 為了減小輪廓誤差，希望實(shí)際位置P能夠向命令位置向量務(wù)修正，除了修正位置誤 差向量屋在各軸分量Ex，Ey，，需另外補(bǔ)償輪廓誤差向量參。因此，選取向量沿作為實(shí)際 位置到命令位置間輪廓誤差g的補(bǔ)償，補(bǔ)償量的多少取決于A的大小。因此，把€作為整個 系統(tǒng)的補(bǔ)償量，實(shí)際位置到期望位置的補(bǔ)償關(guān)系式為：
[0048] C=E+/Cc ( 15)
[0049]通過式（15)，既可以補(bǔ)償實(shí)際位置點(diǎn)P到期望位置點(diǎn)R1的跟蹤誤差，又可以補(bǔ)償 兩點(diǎn)間的輪廓誤差，使其趨近于命令位置。進(jìn)而得到整個補(bǔ)償量在各軸的分量：
[0051] 通過式（16)可使得合成向量^趨近于命令位置路徑，其中A為交叉耦合增益值， 影響輪廓誤差的修正速度。由合成向量5的幾何關(guān)系可知A值愈大，6愈偏向命令路徑， 修正輪廓誤差向量甚的量就會大；
[0052] 步驟4:單軸跟蹤控制器設(shè)計(jì)
[0053] 為了保證三軸的輪廓精度，單軸跟蹤控制也是必不可少的，本實(shí)用新型中單軸跟 蹤控制采用速度環(huán)控制器和位置環(huán)控制器相結(jié)合的控制方式，速度環(huán)控制器采用TOFF控 制方案，位置環(huán)控制器kx采用比例控制方式；
[0054] 步驟5 :輪廓控制器設(shè)計(jì)
[0055] 由前面所提到的輪廓誤差估計(jì)法，可知輪廓誤差g僅與命令位置5和實(shí)際位置P 有關(guān)，屬于位置的幾何關(guān)系，因此所設(shè)計(jì)的交叉耦合控制器位于控制系統(tǒng)的位置回路部分， 改進(jìn)了以往的交叉耦合控制結(jié)構(gòu)。
[0056] 交叉耦合控制器的輸入為三軸運(yùn)動平臺的給定位置&、&和Rz和每軸的跟蹤誤差 Ex、EjPEz。ex、ejPe2是交叉親合控制器輸出的每一軸的輪廓誤差分量。
[0057] 本實(shí)用新型方法最終由嵌入DSP處理器中的控制程序?qū)崿F(xiàn)，其控制過程按以下步 驟執(zhí)行：
[0058] 步驟1系統(tǒng)初始化；
[0059] 步驟2允許TNI、TN2中斷；
[0060] 步驟3啟動Tl下溢中斷；
[0061] 步驟4程序數(shù)據(jù)初始化；
[0062] 步驟5開總中斷；
[0063] 步驟6中斷等待；
[0064] 步驟7TNl中斷處理子控制程序；
[0065] 步驟8結(jié)束。
[0066] 其中步驟7中Tl中斷處理子控制程序按以下步驟：
[0067] 步驟ITl中斷子控制程序；
[0068] 步驟2保護(hù)現(xiàn)場；
[0069] 步驟3判斷是否已初始定位；是進(jìn)入步驟4,否則進(jìn)入步驟10 ;
[0070] 步驟4電流采樣，CLARK變換，PARK變換；
[0071] 步驟5判斷是否需要位置調(diào)節(jié)；否則進(jìn)入步驟7 ;
[0072] 步驟6位置調(diào)節(jié)中斷處理子控制程序；
[0073] 步驟7dq軸電流調(diào)節(jié)；
[0074] 步驟8PARK逆變換；
[0075] 步驟9計(jì)算CMPPx及PffM輸出；
[0076] 步驟10位置采樣；
[0077] 步驟11初始定位程序；
[0078] 步驟12恢復(fù)現(xiàn)場；
[0079] 步驟13中斷返回。
[0080] 其中步驟6中位置調(diào)節(jié)中斷處理子控制程序按以下步驟：
[0081] 步驟1位置調(diào)節(jié)中斷子控制程序；
[0082] 步驟2讀取編碼器值；
[0083] 步驟3判斷角度；
[0084] 步驟4計(jì)算已走距離；
[0085] 步驟5執(zhí)行位置控制器；
[0086] 步驟6計(jì)算電流命令并輸出；
[0087] 步驟7中斷返回。
[0088] 優(yōu)點(diǎn)及效果：本實(shí)用新型提供一種三軸運(yùn)動平臺改進(jìn)型交叉耦合控制裝置及方 法，隨著人們對復(fù)雜元件要求的增加，多軸運(yùn)動平臺精密輪廓控制相比于以往具有代表性 的兩軸XY平臺輪廓控制來說，多軸運(yùn)動平臺高性能輪廓加