XY直线电机平台的轮廓跟踪算法研究

发布时间：2020-05-22 03:32

【摘要】：高精密数控加工设备一直以来就是各个国家重点研究和发展的战略目标,其中对于直线电机轮廓跟踪控制算法的研究又一个比较重要的环节。针对目前设计的轮廓跟踪算法控制性能一般,控制器设计复杂的问题,提出基于变增益交叉耦合滑模控制的设计方法,主要包含以下几个部分:本文首先结合实验平台,对实验平台XY轴进行物理模型以及运动学模型的建立。通过分析直线电机与旋转电机结构的差别,类比与交流永磁旋转伺服电机对电机物理模型的建立过程来建立直线电机物理模型。其次对直线电机进行受力分析,运用牛顿第二定律建立直线电机的运动学模型,最后通过化简分析得到直线电机时域模型以及频域模型的表达式。其次,本论文分析了常规轮廓跟踪算法的形成机理,并针对直线电机平台进行了特例分析。通过分析设计得出直线轮廓、标准圆弧轮廓、任意曲线轮廓跟踪的数学表达式。通过数学表达式,分析了影响系统轮廓跟踪控制的控制精度主要的影响因素。此外针对系统轮廓跟踪误差,分析了系统单轴以及多轴跟踪的常用方法,找到合适的控制算法。对于直线电机轮廓控制算法设计,对于提高单轴系统的跟踪精度以及增加系统对非线性因素干扰的抑制,决定采取滑模变结构控制。从滑模变结构控制原理出发,分析了滑模变结构控制在对系统跟踪性能有很大提高,此外通过一些列方法解决其控制过程中带来的抖振问题,最后对于系统的非线性干扰以及系统多轴联合控制不协调的问题,分别采取滑模干扰观测器以及变增益交叉耦合控制的方式来解决。最后文章对系统设计的相关控制算法进行系统仿真以及实验验证。通过对系统进行实验仿真验证,对比于传统PID控制,可以看出系统采取滑模变结构控制对直线电机控制性能有很大的提高。最后在XY直线电机平台上进行控制算法实际编写测试,进一步验证了设计的变增益交叉耦合滑模变结构控制算法的有效性。
【图文】：

直线电机,精密控制,轮廓跟踪,运动平台

控制与系统研究所的自研项目，实验平台为 XY 直线精密数控加工设备的研发，最早要追溯到上世纪七八家为了加工高精度光学反射镜子等精密光学设备而研工，超高精度的特殊加工[1]（如离子束、电火花、激光 21 世纪以来，随着信息技术的高速发展，，同时也带动步与发展（如计算机技术、控制技术、电子技术、新制造、电子精密仪器制造、医疗技术、航空航天等现快、更精的要求越来越高。制和高精度加工领域，直线电机具有速度快、精度高[1,2]，且少了永磁伺服电机电机内部磁场间隙、传动轴方式，使死区、摩擦等其他非线性因素大大减小。因度的工业制造领域得到很好的应用,其中直线电机平

结构框图,位置伺服,半闭环,结构框图

怪苯邮涑龅模囗虼丝梢院芎玫目刂葡低车氖涑隽俊Ｍ?1.3 全闭环位置伺服控制系统结构框图1.2.2 直线电机发展历程最早的直线电机理论由 Wheatstone（惠斯登）在 1840 年提出并制作了第一代原型机[2]。经过 178 年的发展，直线电机已经从最初实验探索，经过大量学者的研究过渡到实际开发应用，最后发展到大规模商业实际批量应用阶段，在此期间，直线电机的发展经历了艰难的阶段，但还是有一定的研究成果。（1）实验探索阶段（1840-1955）从 Wheatstone 提出直线电机直线电机的想法 50 年以后，美国匹兹堡市市长提出应用于织布机上的直线电机专利[2]，因而引起不少学者的兴趣，但是受限与当时工业发展的水平，在直线电机材料以及制作等方面都不能满足要求，因此直线电机持续很长一段时间并没有得到应用，只停留在很多研究者的论文中。随着时间
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM359.4;TP273

【参考文献】