直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，包括分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器、第一求差電路、電流控制器、功率驅(qū)動放大器、電流傳感器和位移傳感器；分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分?jǐn)?shù)階控制器、求和電路和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器。本實(shí)用新型在普通自抗擾控制器的基礎(chǔ)上引入加速度前饋電路和分?jǐn)?shù)階控制器，形成分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器，與普通自抗擾控制器相比，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器能有效抑制系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對系統(tǒng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)精密軌跡跟蹤控制性能。
【專利說明】
直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，具體涉及一種基于分?jǐn)?shù)階自抗 擾控制器的直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，屬于直線電機(jī)運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 直線電機(jī)與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，取消了中間傳動環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、精 度和效率高等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)高速或低速、高精度等高性能直線運(yùn)動，在現(xiàn)代工業(yè)、民用、 醫(yī)療、交通和軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 但也正是由于缺少中間傳動環(huán)節(jié)的緩沖作用，直線電機(jī)更容易受到系統(tǒng)參數(shù)變 化、摩擦力和負(fù)載擾動力等因素影響，尤其是系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾，給直線電機(jī)的 精密軌跡跟蹤控制增加很大的難度。
[0004] 近年來，越來越多的先進(jìn)控制算法被引入到直線電機(jī)的運(yùn)動控制研究中，來獲得 良好的控制性能，如迭代學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)魯棒控制和自抗擾控制等，其中自抗擾控制以其 實(shí)用性強(qiáng)、魯棒性好和不依賴精確的系統(tǒng)模型等優(yōu)點(diǎn)引起越來越多研究人員的重視。但現(xiàn) 有技術(shù)中，普通自抗擾控制器的最大優(yōu)勢只在于抵抗系統(tǒng)擾動能力強(qiáng)，而軌跡跟蹤控制精 度不高，無法較好地實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)精密軌跡跟蹤控制。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：
[0007]直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，包括分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器、第一求差電路、電流控制 器、功率驅(qū)動放大器、電流傳感器和位移傳感器;所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述 裝置的輸入端，所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述第 一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端連接，所述電流控制器的輸出端與功率驅(qū)動放 大器的輸入端連接，所述功率驅(qū)動放大器的輸出端外接直線電機(jī)，所述電流傳感器的輸入 端與功率驅(qū)動放大器的輸出端連接，所述電流傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連 接，所述位移傳感器的輸入端外接直線電機(jī)，所述位移傳感器的輸出端與分?jǐn)?shù)階自抗擾控 制器的輸入端連接。
[0008]所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分 數(shù)階控制器、求和電路和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器;所述第二求差電路的輸入端為所述分?jǐn)?shù)階自抗 擾控制器的輸入端，所述第二求差電路的輸出端與分?jǐn)?shù)階控制器的輸入端連接，所述分?jǐn)?shù) 階控制器的輸出端與求和電路的輸入端連接，所述求和電路的輸出端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾 控制器的輸出端，所述加速度前饋電路的輸入端與第二求差電路的輸入端連接，所述加速 度前饋電路的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第三求差電路的輸出端與求和電 路的輸入端連接，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與求和電路的輸出端以及位移傳感器 的輸出端連接，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第二求 差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出端連接。
[0009]本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果:本實(shí)用新型在普通自抗擾控制器的基礎(chǔ)上引入加 速度前饋電路和分?jǐn)?shù)階控制器，形成分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器，與普通自抗擾控制器相比，分?jǐn)?shù) 階自抗擾控制器能有效抑制系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對系統(tǒng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)直線電 機(jī)精密軌跡跟蹤控制性能。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0011] 圖2是本實(shí)用新型中不同正弦軌跡跟蹤誤差對比圖。
[0012] 圖3是本實(shí)用新型中對系統(tǒng)參數(shù)攝動的抑制能力對比圖。
[0013]圖4是本實(shí)用新型中對外部擾動的抑制能力對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本 實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0015] 如圖1所示，直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，包括分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器、第一求差電 路、電流控制器、功率驅(qū)動放大器、電流傳感器和位移傳感器。
[0016] 分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸出 端與第一求差電路的輸入端連接，第一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端連接，電 流控制器的輸出端與功率驅(qū)動放大器的輸入端連接，功率驅(qū)動放大器的輸出端外接直線電 機(jī)，電流傳感器的輸入端與功率驅(qū)動放大器的輸出端連接，電流傳感器的輸出端與第一求 差電路的輸入端連接，位移傳感器的輸入端外接直線電機(jī)，位移傳感器的輸出端與分?jǐn)?shù)階 自抗擾控制器的輸入端連接。
[0017] 分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分?jǐn)?shù)階 控制器、求和電路和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器。
[0018] 第二求差電路的輸入端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端，第二求差電路的輸 出端與分?jǐn)?shù)階控制器的輸入端連接，分?jǐn)?shù)階控制器的輸出端與求和電路的輸入端連接，求 和電路的輸出端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸出端，加速度前饋電路的輸入端與第二求 差電路的輸入端連接，加速度前饋電路的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，第三求差 電路的輸出端與求和電路的輸入端連接，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與求和電路的輸出 端以及位移傳感器的輸出端連接，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸出端與第三求差電路的輸入端連 接，第二求差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出端連接。
[0019] 直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置的跟蹤方法，包括以下步驟：
[0020] 步驟1，電流傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際動子電流i。
[0021] 步驟2,位移傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動位移X。
[0022] 步驟3，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡Xd和實(shí)際運(yùn)動位 移X，輸出中間控制量Ui。
[0023]分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器中的處理過程為，
[0024] Al)加速度前饋電路接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡Xd并進(jìn)行處理；
[0025] 加速度前饋電路的處理公式為，
[0026]
[0027] 其中，毛為Xd的二階導(dǎo)數(shù)，即加速度前饋電路的輸出量，d為微分算子，t為時間；
[0028] A2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器計算系統(tǒng)總和擾動的估計值Z3;
[0029]具體計算公式為，
[0030]
[0031] 其中，Z1為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動位移的估計值，z2為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動速度的估計 值，eo為Zi和X之間的誤差，b為控制量增益，β〇ι、β〇2、β()3為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器增益，fal(eo, 0.25,3)為非線性函數(shù)，3為&1(創(chuàng)，0.25,3)中線性段的區(qū)間長度；
[0032] fal(eo,0.25j)的具體公式為，
[0033]
[0034] 其中，α為冪指數(shù)，sgn( ·)為符號函數(shù)；
[0035] A3)分?jǐn)?shù)階控制器進(jìn)行分?jǐn)?shù)階控制輸出；
[0036]具體計算公式為，
[0037] u〇i = KP( 1+Kdsu) · ei
[0038] 其中，UQ1為分?jǐn)?shù)階控制器的輸出，KP、Kd為分?jǐn)?shù)階控制器參數(shù)，s為拉普拉斯算子，μ 是取值為〇到1之間的實(shí)數(shù)，eiSxd和X之間的誤差，即第二求差電路的輸出，也是分?jǐn)?shù)階控制 器的輸入；
[0039] A4)第三求差電路接收加速度前饋電路的輸出量3^.，計算輸出控制量u〇2，求和電 路根據(jù)UQl和UQ2計算出中間控制量Ul;
[0040] 計算公式為，
[0041]
[0042]
[0043] 步驟4,第一求差電路接收中間控制量m和實(shí)際動子電流i，將中間控制量m和實(shí)際 動子電流i比較后的誤差值e發(fā)送到電流控制器處理，電流控制器輸出實(shí)際電壓控制量u。 [0044]電流控制器中的處理公式為，
[0045] U=Kpi · e
[0046] 其中，e為Ui和i之間的誤差，KPi為電流控制器參數(shù)。
[0047] 步驟5,功率驅(qū)動放大器接收實(shí)際電壓控制量u，控制直線電機(jī)的運(yùn)行。
[0048] 具體的數(shù)據(jù)流向?yàn)椋弘娏鱾鞲衅饔糜诓杉本€電機(jī)的實(shí)際動子電流i，并傳輸至第 一求差電路，位移傳感器用于采集直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動位移X，并傳輸至分?jǐn)?shù)階自抗擾控制 器，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器利用直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動位移X和上一個采樣時刻計算出的中間控制 量U1計算出三個狀態(tài)變量，分別為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動位移的估計值Z1、直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動速 度的估計值Z 2和系統(tǒng)總和擾動的估計值Z3，其中Z3傳輸至第三求差電路，加速度前饋電路對 目標(biāo)軌跡Xd進(jìn)行二次微分后，得到目標(biāo)軌跡Xd的二階導(dǎo)數(shù)七，并傳輸至第三求差電路，第二 求差電路將目標(biāo)軌跡Xd和直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動位移X比較作差后，得到差值ei，并傳輸至分?jǐn)?shù) 階控制器，分?jǐn)?shù)階控制器將差值 61進(jìn)行控制計算，得出uQ1，并傳輸至求和電路，第三求差電 路將目標(biāo)軌跡Xd的二階導(dǎo)數(shù)元和系統(tǒng)總和擾動的估計值Z 3進(jìn)行比較計算，得出uQ2,并傳輸 至求和電路，求和電路將UQ1和UQ 2進(jìn)行求和計算后，得出中間控制量m，并傳輸至第一求差電 路，第一求差電路將中間控制量U1和直線電機(jī)的實(shí)際動子電流i進(jìn)行比較計算得出誤差值 e，并傳輸至電流控制器，電流控制器將e進(jìn)行控制計算后得出實(shí)際控制量u，并傳輸至功率 驅(qū)動放大器，功率驅(qū)動放大器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，從而控制所述直線電機(jī)運(yùn)行。
[0049] 為了進(jìn)一步說明，進(jìn)行對比試驗(yàn)。
[0050] 如圖2所示，目標(biāo)軌跡分別為正弦軌跡Sl:xd = 25sin(4t-0.53T)+25(mm)和正弦軌 跡S2:xd = 50sin(9t-0.53i)+50(mm)時，兩種控制器的軌跡跟蹤誤差對比圖，這兩種控制器 分別為普通自抗擾控制和分?jǐn)?shù)階自抗擾控制。從圖中可以看出，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的跟 蹤誤差小，控制精度高，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的精密軌跡跟蹤控制。
[0051] 如圖3所示，系統(tǒng)參數(shù)攝動下兩種控制器的正弦軌跡跟蹤誤差對比圖，這里系統(tǒng)參 數(shù)（即運(yùn)動部分的質(zhì)量）由0.25kg變?yōu)?5kg。從圖中可以看出，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器對系統(tǒng) 參數(shù)攝動具有較強(qiáng)的抑制能力。
[0052]圖4所示，在外部擾動作用下兩種控制器的正弦軌跡跟蹤誤差對比圖，這里在0.4-1.1秒之間給系統(tǒng)施加15N的作用力，模擬突變的外部擾動作用。從圖中可以看出，基于分?jǐn)?shù) 階自抗擾控制器的軌跡跟蹤裝置對外部擾動同樣具有很強(qiáng)的抑制能力。
[0053]綜上所述，本實(shí)用新型在普通自抗擾控制器的基礎(chǔ)上引入加速度前饋電路和分?jǐn)?shù) 階控制器，形成分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器，與普通自抗擾控制器相比，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器能有 效抑制系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對系統(tǒng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)精密軌跡跟蹤控制 性能。
[0054]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改 進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，其特征在于：包括分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器、第一求差電 路、電流控制器、功率驅(qū)動放大器、電流傳感器和位移傳感器； 所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的 輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述第一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端 連接，所述電流控制器的輸出端與功率驅(qū)動放大器的輸入端連接，所述功率驅(qū)動放大器的 輸出端外接直線電機(jī)，所述電流傳感器的輸入端與功率驅(qū)動放大器的輸出端連接，所述電 流傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述位移傳感器的輸入端外接直線電 機(jī)，所述位移傳感器的輸出端與分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，其特征在于:所述分?jǐn)?shù)階自抗擾 控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分?jǐn)?shù)階控制器、求和電路和擴(kuò) 張狀態(tài)觀測器； 所述第二求差電路的輸入端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端，所述第二求差電路 的輸出端與分?jǐn)?shù)階控制器的輸入端連接，所述分?jǐn)?shù)階控制器的輸出端與求和電路的輸入端 連接，所述求和電路的輸出端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸出端，所述加速度前饋電路 的輸入端與第二求差電路的輸入端連接，所述加速度前饋電路的輸出端與第三求差電路的 輸入端連接，所述第三求差電路的輸出端與求和電路的輸入端連接，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 的輸入端分別與求和電路的輸出端以及位移傳感器的輸出端連接，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的 輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第二求差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出 端連接。
【文檔編號】G05B13/02GK205427466SQ201620153220
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】施昕昕, 黃家才, 李宏勝
【申請人】南京工程學(xué)院