H∞鲁棒控制在精密直线电机位移装置中的应用

为解决精密直线电机位移装置中负载扰动、切削力波动以及参数的变化对系统性能影响较大的问题,利用在频率域选择加权函数,并将其转化到状态空间进行优化的方法,将H∞鲁棒控制算法应用到精密直线电机位移装置中。仿真实验证明,该控制器具有良好的跟踪性能,同时具有很好的抗干扰能力和较强的鲁棒性。与学习迭比例积分微分控制(P ID)所达到的稳态跟踪误差±4μm和重复控制所达到的稳态跟踪误差±0.4μm相比,该H∞鲁棒控制算法使系统的跟踪精度有了明显的提高。     

一种采用同型号电机互为负载的直线电机推力波动测试方法

针对传统推力波动测试方法精度不高、结构复杂的问题,提出一种采用同型号直线电机互为负载来测量直线电机推力(PMLSM)波动的方法。根据直线电机中齿槽效应和端部效应的作用机理,将2套同种型号的永磁直线电机刚性连接互为负载,通过改变电机动子之间的相位差来测量两直线电机叠加推力波动进而得到单个电机的推力波动。首先,通过分析推力波动中定位力和纹波推力与位移速度的关系,建立关于电机动子间位置差、相位差的数学模型,并进行叠加推力波动有限元分析;然后,通过改变动子间相位差进行推力波动测试,研究叠加推力随相位差改变的波动规律;最后,采用数字滤波和傅里叶变换,研究从叠加推力波动信息中精确提取单个电机推力波动的方法,得到与有限元分析结果基本一致的定位力和推力波动波形。研究结果表明:该方法能快速、精确地测量直线电机推力波动,且具有较高的测量精度。     

永磁直线同步电机非线性电感与推力波动的分析和补偿

直线电机绕组电感的非线性特征会引起理想驱动电流下的输出推力波动,构成了一种扰动力并会降低位置跟踪精度。该文基于电机磁链理论进行计算和仿真,推导分析磁链和推力关于电感及电流的表达式和规律,设计实验测量恒定电流下的电机推力随位置的变化规律并进行对比验证,设计电流环补偿方法来改善电机的输出力波动。磁链和推力波动分析结果表明:采用THIII型样机在额定电流下推力波动最高可达2.9%;补偿仿真实验将非线性电感造成的推力波动的影响降至1 N以下,可见电流补偿后的推力谐波得到有效抑制。     

基于GA-SVM算法永磁同步直线电机变载荷进给位置误差的预测

针对永磁同步直线电机精密进给过程中,受到齿槽效应、端部效应及摩擦力扰动等非线性因素的影响,位置误差难以预测问题,提出了一种基于遗传算法(GA)优化支持向量机(SVM)算法永磁直线电机变载荷位置误差预测模型的方法。通过测量各种情况下永磁直线电机在运动过程中的位置变化情况,利用遗传算法优化支持向量机算法建立预测模型。该模型采用实验台运行的正弦轨迹数据为训练样本,三角波轨迹数据为测试样本。选取各种情形的正弦波轨迹数据和三角波轨迹数据进行仿真预测和验证。以各种情况的正弦波信号的指令位置、指令速度和电流作为模型的输入,以三角波信号的位置误差作为输出。结果表明,经过遗传算法优化支持向量机建立的位置误差预测模型,在拟合和预测精度上要优于未经过算法优化的位置误差预测模型。     

基于GA-SVM算法永磁同步直线电机变载荷进给位置误差预测

针对永磁同步直线电机精密进给过程中,受到齿槽效应、端部效应及摩擦力扰动等非线性因素的影响,位置误差难以预测问题,提出了一种基于遗传算法(GA)优化支持向量机(SVM)算法永磁直线电机变载荷位置误差预测模型的方法。通过测量各种情况下永磁直线电机在运动过程中的位置变化情况,利用遗传算法优化支持向量机算法建立预测模型。该模型采用实验台运行的正弦轨迹数据为训练样本,三角波轨迹数据为测试样本。选取各种情形的正弦波轨迹数据和三角波轨迹数据进行仿真预测和验证。以各种情况的正弦波信号的指令位置、指令速度和电流作为模型的输入,以三角波信号的位置误差作为输出。结果表明,经过遗传算法优化支持向量机建立的位置误差预测模型,在拟合和预测精度上要优于未经过算法优化的位置误差预测模型。     

精密运动平台宏微控制系统的设计

基于高动态精密伺服运动双台系统模型提出一种非线性宏微控制方法.该方法采用长行程直线电机宏动跟随音圈电机高精密微动的驱动方式,并引入扩张状态观测器.系统在定位误差较大时,采用近似时间最优控制律的轻阻尼宏动台,以允许的最大速度快速响应,在接近目标位置后,再用采用复合非线性反馈控制律的重阻尼微动台来补偿宏动台超调引起的位置偏差,最终实现系统快速高精度的定位.通过扩张状态观测器观测系统的动态变化,补偿系统中的各种扰动,减小系统的稳态跟踪误差.研究结果表明:该方法改善系统的动态性能和抗干扰能力,提高系统的定位精度.     

微进给工作台伺服控制技术

为实现母盘刻录机中光学头的精密进给,研制了精密微进给工作台及其伺服控制系统.利用线光栅作为工作台位移检测工具,采用数字比例积分微分(PID)伺服滤波器实现位移控制.经实验方法测定,系统摩擦可以近似为Coulomb摩擦加Stribeck效应的模型.采用了基于该模型的摩擦补偿方法以消除电机死区影响.为实现精确轨迹控制,控制系统采用了零相位误差跟踪控制(ZPETC)技术.针对高增益PID、摩擦补偿和ZPETC加摩擦补偿这3种控制方法,分别进行了轨迹跟踪实验,其轨迹误差分别为±0.8、±0.6 和±0.3 μm.     

基于ELM的永磁直线电机推力波动补偿研究

针对永磁直线电机推力波动的非线性特点,设计了PID+ELM前馈补偿的永磁直线电机位置控制系统.用于训练ELM网络的样本可通过分析推力波动的特点及其规律获得,将训练好的网络作为前馈补偿环节,用于补偿控制系统中推力波动的影响.仿真结果表明,所提出的控制方案有效且可行.与基于SVM和RLS的方法相比,虽然其跟踪精度稍差,但其训练时间较短,适用于实时性要求较高的场合.     

直线电机/发动机系统轨迹跟踪控制策略

根据直线电机/发动机系统稳定运行时的活塞速度和位置关系,提出了基于比例积分(PI)控制器的活塞轨迹跟踪控制策略,并搭建了系统的仿真模型,用试验验证了仿真模型的精确性.仿真结果表明,在喷油量发生波动甚至失火时,该控制策略使得活塞轨迹在扰动发生后的首循环内就能回归参考轨迹,实现了对于活塞运动的有效和快速控制.     

基于模糊滑模观测器的PMLSM的速度位置估计

针对永磁同步直线电机无传感器控制直线驱动系统中,速度和磁极位置难以快速准确估计的问题,提出了一种结合滑模观测器与模糊控制各自优点的模糊滑模观测器速度位置估计新方法。仿真结果表明,模糊滑模观测器能够在柔滑抖振和稳态误差之间找到平衡,保持系统的鲁棒性和控制精度,提高系统的响应速度。该观测器能够高速、精确地估计电机速度和磁极位置,实现高性能的永磁同步直线电机无速度传感器控制。     

基于光栅信号的直线电机加速度估计方法

直线电机进给系统中,外界干扰如推力、负载力和参数波动等严重影响了直线电机进给系统的性能。加速度控制是一种抑制外界干扰力作用的有效手段,其中获得相位滞后小的加速度信号是加速度控制中的关键内容。光栅尺是直线电机进给系统中最常用的位置传感器,研究基于光栅尺离散脉冲位置的加速度估计方法具有广泛意义。提出了一种基于约束最小二乘曲线拟合的加速度估计方法,该方法首先对直线电机初级的历史位置进行最小二乘曲线拟合,同时要求拟合曲线通过最新位置,然后根据拟合的二次曲线求得加速度。将该方法与基于最小二乘曲线拟合法进行对比,理论分析和仿真实验均表明:该方法在估计快速变化的加速度信号时,具有更小的相位滞后。在估计加速度时,该方法相当于一个有限冲激响应(FIR)滤波器,易于在实时控制系统中实现。     

永磁同步直线伺服系统的纹波推力补偿

针对纹波推力对永磁同步直线伺服系统的影响,提出了一种纹波推力补偿策略:基于纹波推力自适应补偿的永磁同步直线伺服系统位置控制。在这种控制策略中,首先采用快速傅里叶变换分析推力电流来离线提取纹波推力的特征频率,有利于纹波推力数学模型的简化,再通过递推最小二乘算法在线辨识纹波推力的模型参数,结合纹波推力的特征频率和模型参数,动态地实现了纹波推力的精确估计,最后将纹波推力估计模型直接作用于永磁同步直线伺服系统,对推力电流进行前馈补偿控制,从而实时抑制纹波推力。实验结果表明,采用所提的补偿策略,最大位置跟踪波动误差从补偿前的50μm左右下降到补偿后的不足20μm,位置控制性能得到明显改善,对高性能永磁同步直线伺服系统的抗扰动策略研究具有重要的理论和现实意义。     

激光投影成像精密定位工作台的研究

在激光步进扫描投影成像设备中,高精密工作台则是系统中的一个重要组成部分。精密工作台系统包括宏动工作台和精动系统,宏动工作台包括精密机械及其传动系统,直线电机和步进伺服电机驱动系统及计算机控制系统;精动系统包括压电陶瓷驱动和执行放大以及计算机控制系统。由激光测长控制系统提供宏、精动系统的超精密位置检测和闭环反馈。     

基于振动模型的精密工作台运动控制

精密工作台高加减速的运动反力作用于机台上,会引起机台机械共振,使轨迹跟踪精度降低、定位建立时间加长,针对这一问题,提出了基于精密工作台振动模型,采用极点配置、模型参数匹配的方法设计P ID控制器。通过实验,与PD 加速度前馈的控制方式相比较,当工作台以120mm/s、1 g的加减速运动时工作台轨迹跟踪精度提高了2μm,定位建立时间缩短了10m s。结果表明,采用基于振动模型设计的P ID运动控制具有较好的动态响应和轨迹跟踪性能。     

带有遗忘因子的滤波器型迭代学习直线伺服系统

针对永磁直线同步电机伺服系统,提出开闭环迭代学习控制器,实现期望直线位置的跟踪控制.分析了永磁直线同步电机的2-D模型及迭代学习直线伺服系统的收敛性.通过减小系统输入误差协方差矩阵迹的方式得到优化的遗忘因子,来修正控制输入的迭代学习律,同时采用零相位FIR数字滤波器对前馈学习控制器中的误差信号进行滤波处理.实验结果表明,带有遗忘因子的滤波器型迭代学习控制器能够保证直线伺服系统在不断的迭代学习中提高性能,有效抑制端部推力波动,系统具有很好的学习收敛速度、动态响应及控制精度.     

变负载下永磁同步直线电机的推力及速度变化分析

以永磁同步直线电机为研究对象进行受力分析,建立数学模型,并利用Matlab/Simulink软件建立直线电机的仿真模型,探究施加不同负载时直线电机的推力以及速度变化.结果表明:随着工件质量的不断增加,直线电机的状态响应时间和最大偏差也在增加;速度的响应时间曲线上升趋势较为平缓,推力的响应时间曲线变化明显;推力的超调量曲线上升趋势较为平缓,速度的超调量曲线上升趋势变化明显,当工件质量为240 kg时,电机速度的超调量超过30%,严重影响到电机的运行.为降低负载变化对直线电机稳定性的影响,通过计算得出了最大负载质量和最大电机推力.     

位置闭环黏滑特性实验方法

提出了一种基于直线电机位置闭环伺服系统的黏滑特性实验方法.该方法采用弹簧质量块的模型,与传统黏滑实验设备中的参数被等效至位置闭环伺服系统控制程序中的变量不同,可以在不改变硬件装置的条件下任意改变弹簧刚度、输入端速度等参数,方便地实现不同刚度和运动速度时摩擦副黏滑特性的测试.与传统黏滑实验方法相比,此方法具有适应性好、测量精度高、成本低等优点.利用直线电机位置闭环伺服系统,通过仿真与实验验证分析了工作台质量、弹簧刚度、动静摩擦系数差及弹簧自由端拉伸速度等因素对黏滑现象的影响,得到减小质量、增大弹簧刚度、减小动静摩擦系数差及增大拉伸速度等都可以抑制黏滑现象的结论,同时也证明了此方法的可行性.     

高推力永磁直线同步电动机控制中的电流补偿

为满足高推力永磁直线同步电动机的速度伺服要求,选择IP速度控制器,借助在线辨识的方法对直线电机的动子质量、粘滞摩擦因数和推力波动进行辨识,并分别利用在线和离线补偿的方式,对推力扰动进行电流补偿.仿真结果表明,离线补偿使系统的速度波动降低,在线补偿使系统具有很强的鲁棒伺服性.     

均值耦合多电机滑模速度同步控制

针对传统阿胶制粒机多电机速度同步控制精度低和控制系统响应速度慢的问题,提出了一种无速度传感器的多电机均值耦合非奇异全局快速Terminal滑模速度同步控制方法。首先,设计转速自适应磁链观测器,避免了加热筒体温度较高导致电机速度传感器检测精度不足的问题;然后,利用均值耦合策略对多电机转速进行耦合控制,实现系统误差全局补偿,保证多电机速度误差同步收敛;其次,通过设计具有非线性函数的非奇异全局快速Terminal滑模面,实现电机速度误差在有限时间内全局快速收敛,并消除了Terminal滑模的奇异问题,提高了单电机速度跟踪精度,降低了多电机间速度同步误差;最后,利用Lyapunov函数证明了观测器和控制器的稳定性及收敛性。仿真与实验结果表明：速度观测器能够在0.4 s内实现速度跟踪,当系统存在负载扰动时,调节时间小于0.05 s,具有良好的跟踪性能和稳态精度;与均值耦合滑模多电机速度同步控制相比,本文控制方法能够在0.15 s内实现对期望转速的跟踪,各电机同步误差调节时间减少了1.2 s,响应速度快,能够有效抑制负载扰动,具有更好的动态调节能力、稳态精度和鲁棒性,可满足阿胶制粒工艺的要求。     

永磁直线同步电机自适应变结构位置控制器的研究

针对永磁直线电机参数变化和外部扰动对伺服系统的影响,提出了自适应变结构位置控制设计方法.用电机的位置误差信号及其导数构造切换函数,利用自适应律对系统不确定性扰动因数的极限进行估算.经过分析验证,与基于SVPWM的矢量控制系统相比较,自适应变结构位置控制算法明显减少了由系统参数变化和外部扰动引起的推力脉动,能快速、准确地跟踪给定信号,增强了整个系统的自适应性和鲁棒性.