一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的pmlsm驅(qū)動(dòng)xy平臺(tái)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)控制領(lǐng)域，具體是一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的PMLSM驅(qū)動(dòng) XY平臺(tái)控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 制造業(yè)對(duì)于保障國家安全，保證國民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)有著重要的作用。隨著數(shù)字技 術(shù)的發(fā)展，機(jī)床技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到了以數(shù)字化為核心的機(jī)電一體化時(shí)代。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng) 成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中最重要的基礎(chǔ)裝備和世界機(jī)床市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。在計(jì)算機(jī)軟硬 件、刀具等機(jī)械結(jié)構(gòu)和其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步下，數(shù)控技術(shù)日益發(fā)展，對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的要 求也逐漸提高。國外高檔數(shù)控機(jī)床最快進(jìn)給速度達(dá)到了 60m/min，普通數(shù)控機(jī)床的加工精度 已經(jīng)由0.0 lmm提高到了 0. 005mm，甚至有些已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)別。因此，高速度、高精度、高 效率和智能化已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。
[0003] 與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不需要任何中間機(jī)械傳動(dòng)部 分就可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，能夠消除機(jī)械傳動(dòng)部分帶來的一系列問題，使高速度、高精度位置 加工成為可能。20世紀(jì)中期以來，對(duì)直線電機(jī)研宄有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中由于永磁直線同步 電機(jī)PMLSM(permanent magnet linear synchronous motor)具有精度高、響應(yīng)快、損耗低、 推力大等優(yōu)點(diǎn)，因此在提升系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、往復(fù)伺服系統(tǒng)、電子制造裝備和高速高精度 數(shù)控機(jī)床等方面具有廣泛的應(yīng)用。在運(yùn)動(dòng)控制中，由PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)是常見的伺服驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)。雖然PMLSM實(shí)現(xiàn)了"零傳動(dòng)"，但是其特有的端部效應(yīng)會(huì)增加系統(tǒng)的擾動(dòng)，沒有了中間 裝置的緩沖過程，使外部擾動(dòng)更直接地影響輸出，因此在一定程度上增加了其控制的難度。
[0004] 經(jīng)典的 PID (比例（proportion)、積分（integration)、微分（differentiation)) 控制方法簡(jiǎn)單、魯棒性較好、控制器設(shè)計(jì)方便，對(duì)于一般精度而言，能夠很好地滿足要求。但 是不能夠有效消除PMLSM驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床中出現(xiàn)的周期性擾動(dòng)，很難保證控制精度。因 此需要引入先進(jìn)的控制方法，實(shí)現(xiàn)高精度控制。對(duì)于重復(fù)運(yùn)行的系統(tǒng)，一般控制器在每次 運(yùn)行時(shí)都會(huì)得到相當(dāng)豐富的跟蹤誤差信息，但不會(huì)加以利用。迭代學(xué)習(xí)控制（iterative learning control，簡(jiǎn)稱ILC)能夠充分利用先前的控制信息，通過多次迭代，提高系統(tǒng)的運(yùn) 行性能。
[0005] ILC是一種智能控制方法，主要針對(duì)具有重復(fù)性或周期性的被控對(duì)象，具有嚴(yán)格的 數(shù)學(xué)描述，完善的理論體系，不完全依賴于系統(tǒng)的精確模型，能夠控制非線性系統(tǒng)。經(jīng)過30 年的發(fā)展，ILC的研宄主要包括學(xué)習(xí)律的設(shè)計(jì)、魯棒性、收斂性的分析、收斂速度問題等方 面。ILC要求系統(tǒng)在每次迭代時(shí)的初態(tài)與期望軌跡的初態(tài)保持一致，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng) 受到的擾動(dòng)往往使兩者不一致，產(chǎn)生初始定位誤差。當(dāng)系統(tǒng)重復(fù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)因 初始定位誤差的累加受到影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。因此如何解決ILC存在的初始值問題、 提高收斂速度、選擇合適的收斂性分析方法仍然是值得研宄的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)控制方法及 系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)控制方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟I :PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行電流采樣和位置采樣；
[0010] 步驟2 :DSP處理器根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的電流采樣數(shù)據(jù)和位置采樣數(shù)據(jù)生成對(duì)PMLSM驅(qū) 動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行位置控制的PWM信號(hào)；
[0011] 步驟2-1 :根據(jù)位置采樣數(shù)據(jù)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行ILC位置控制：將期望位 置與位置采樣數(shù)據(jù)做差后，得到位置偏差，經(jīng)ILC計(jì)算后得到期望速度；
[0012] 步驟2-2 :根據(jù)位置采樣數(shù)據(jù)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行PI速度控制：將位置采樣 數(shù)據(jù)微分后，得到實(shí)際速度，再將步驟2-1所得的期望速度與實(shí)際速度做差后，經(jīng)PI計(jì)算后 得到速度偏差，得到期望電流；
[0013] 步驟2-3 :根據(jù)電流采樣數(shù)據(jù)生成對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行位置控制的PWM信 號(hào)：將步驟2-2所得的期望電流作2/3變換，再將變換結(jié)果與電流采樣數(shù)據(jù)做差后，得到驅(qū) 動(dòng)IPM逆變單元的PWM信號(hào)，執(zhí)行步驟3 ;
[0014] 步驟3 :PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)根據(jù)PWM信號(hào)進(jìn)行工作：IPM逆變單元根據(jù)步驟2-3所 得的PWM信號(hào)，使PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行工作，PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行電 流采樣和位置采樣；
[0015] 步驟4 :根據(jù)步驟3的位置采樣數(shù)據(jù)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行EMD-ILC位置控制： 根據(jù)步驟3的位置采樣數(shù)據(jù)和EMD計(jì)算非理想位置偏差，再經(jīng)ILC計(jì)算后得到期望速度，返 回步驟2-2。
[0016] 所述的PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)控制方法所采用的PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)控制系統(tǒng)，包括：
[0017] 用于將220V交流電轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)PMLSM的三相交流電的主電路；
[0018] 用于根據(jù)電流采樣信號(hào)和位置采樣信號(hào)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行ILC位置控制、 PI速度控制、EMD-ILC位置控制的控制電路：
[0019] 主電路的輸入端連接220V交流電，主電路的輸出端連接PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的三 相輸入端；控制電路的位置采樣輸入端連接PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的光柵尺，控制電路的電流 采樣輸入端連接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的PMLSM的A相輸入端及B相輸入端。
[0020] 所述主電路包括調(diào)壓模塊、整流濾波單元和IPM逆變單元；
[0021] 調(diào)壓模塊的輸入端連接220V交流電，調(diào)壓模塊的輸出端連接整流濾波單元的輸 入端，整流濾波單元的輸出端連接IPM逆變單元的輸入端，IPM逆變單元的輸出端分別連接 PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的三相輸入端。
[0022] 所述控制電路包括：
[0023] 用于通過光柵尺采集PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)位置信號(hào)的位置采樣電路；
[0024] 用于采集PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)A相輸入電流信號(hào)和B相輸入電流信號(hào)的霍爾電流 傳感器；
[0025] 用于將霍爾電流傳感器的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~3V的電平信號(hào)的電流采樣電路；
[0026] 用于根據(jù)電流采樣信號(hào)和位置采樣信號(hào)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行ILC位置控制、 PI速度控制、EMD-ILC位置控制的DSP處理器；
[0027] 用于根據(jù)DSP處理器在ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制時(shí)生成的不 同PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IPM逆變單元工作和保護(hù)IPM逆變單元的IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；
[0028] 位置采樣電路連接PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的光柵尺；霍爾電流傳感器連接驅(qū)動(dòng)XY平 臺(tái)的PMLSM的A相輸入端及B相輸入端；霍爾電流傳感器的輸出端連接電流采樣電路的輸 入端，電流采樣電路的輸出端、位置采樣電路的輸出端分別連接DSP處理器的輸入端，DSP 處理器的輸出端連接IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的輸入端，IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的輸出端連 接IPM逆變單元的控制輸入端。
[0029] 所述DSP處理器包括ILC位置控制模塊、PI速度控制模塊、PWM信號(hào)生成模塊和 EMD-ILC位置控制模塊；
[0030] ILC位置控制模塊，根據(jù)位置采樣數(shù)據(jù)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行ILC位置控制： 將期望位置與位置采樣數(shù)據(jù)做差后，得到位置偏差，經(jīng)ILC計(jì)算后得到期望速度；
[0031] PI速度控制模塊，根據(jù)位置采樣數(shù)據(jù)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行PI速度控制：將 位置采樣數(shù)據(jù)微分后，得到實(shí)際速度，再將ILC位置控制模塊所得的期望速度與實(shí)際速度 做差后，經(jīng)PI計(jì)算后得到速度偏差，得到期望電流；
[0032] PWM信號(hào)生成模塊，根據(jù)電流采樣數(shù)據(jù)生成對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行位置控制的 PWM信號(hào)：將PI速度控制模塊所得的期望電流作2/3變換，再將變換結(jié)果與電流采樣數(shù)據(jù) 做差后，得到驅(qū)動(dòng)IPM逆變單元的PWM信號(hào)；
[0033] EMD-ILC位置控制模塊，根據(jù)下一時(shí)刻的位置采樣數(shù)據(jù)對(duì)PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)進(jìn)行 EMD-ILC位置控制：根據(jù)位置采樣數(shù)據(jù)和EMD計(jì)算非理想位置偏差，再經(jīng)ILC計(jì)算后得到期 望速度，并調(diào)用PI速度控制模塊。
[0034] 有益效果：
[0035] 本發(fā)明以PMLSM驅(qū)動(dòng)的XY平臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)為被控對(duì)象，先利用迭代學(xué)習(xí)（ILC)位置 控制器獲得每次迭代過程中的跟蹤誤差，以這些跟蹤誤差信息為基礎(chǔ)，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 (EMD)方法對(duì)其進(jìn)行分析，篩選并消除影響迭代學(xué)習(xí)收斂性的分量。然后利用EMD-ILC位置 控制器重新運(yùn)行系統(tǒng)，正是基于這種方法，來保證系統(tǒng)的收斂性，提高系統(tǒng)的收斂速度。速 度回路則使用傳統(tǒng)的PI控制器，就可以有效地克服擾動(dòng)。保證PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)迭代學(xué) 習(xí)控制過程的收斂性，提高迭代學(xué)習(xí)過程的速度，從而改善跟蹤誤差。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)控制原理 框圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的ILC位置控制原理框圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的EMD方法篩選IMF過程示意圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的EMD方法的流程圖；
[0040] 圖5是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的PI速度控制原理圖；
[0041] 圖6是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的PMLSM驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0042] 圖7是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】跟蹤的四角星形軌跡；
[0043] 圖8是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】DSP處理器的控制流程圖；
[0044] 圖9是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】保護(hù)中斷處理的流程圖；
[0045]