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1、(10)申请公布号 CN 101989080 A (43)申请公布日 2011.03.23 CN 101989080 A *CN101989080A* (21)申请号 201010571352.4 (22)申请日 2010.12.03 G05B 19/19(2006.01) (71)申请人 沈阳工业大学 地址 110870 辽宁省沈阳市经济技术开发区 沈辽西路111 号 (72)发明人 赵希梅 王丽梅 孙宜标 孙显峰 刘春芳 (74)专利代理机构 沈阳智龙专利事务所( 普通 合伙) 21115 代理人 宋铁军 (54)发明名称 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实。
2、 现 轮 廓加工的方法 (57)摘要 一 种 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓 加 工 的 方 法, 包 括 VGZPETC、PD 位 置 控 制 器、DOB、 和 被 控 对 象 四 部 分 ; 结 合 数 控 机 床 轮 廓 运动控制的特点, 本发明提出VGZPETC 和DOB 相结 合的控制方案。VGZPETC 作为前馈跟踪控制器, 消 除 闭 合 回 路 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差 以 及 建 模 误 差 并 补 偿 了 增 益 损 失, 提 高 了 快 速 性, 使 系 统 实 现 准 确 跟 踪 ; 基 于 DOB 。
3、的 鲁 棒 反 馈 控 制 器 补 偿 了 外 部 扰 动、 未 建 模 动 态、 系 统 参 数 变 化 和 机 械 非 线 性 不 确 定 因 素, 并 根 据 预 测 到 的 扰 动 信 息 对 各 轴 进 行 补 偿 以 消 除 扰 动 对 系 统 的 影 响, 从 而 保 证 了 系统的强鲁棒性能, 提高了轮廓加工精度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 14 页 附图 19 页CN 101989080 A 1/2 页 2 1. 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓。
4、 加 工 的 方 法, 其 特 征 在 于 : 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 与 扰 动 观 测 器 相 结 合 来 提 高 轮 廓 加 工 精 度 的 方 法, 该 方 法 包 括 : 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 VGZPETC、PD 位 置 控 制 器、DOB、 和 被 控 对 象 四 部 分, 其 中 : VGZPETC, 用 以 消 除 闭 合 回 路 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差 以 及 建 模 误 差 并 补 偿 了 增 益 损 失 ; PD 位 置 控 制 器, 用 以 改 善 位 置 回 路 响 应 特 性 ;。
5、 DOB, 用 以 消 除 系 统 的 扰 动, 并 使 速 度 回 路 的 传 递 函 数 成 为 参 考 模 型 ; 被 控 对 象, 是 由 电 机、 速 度 环 和 电 流 环 三 部 分 组 成 ; 所 述 VGZPETC 的 输 入 信 号 为 位 置 参 考 指 令, 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 经 过VGZPETC 后的输出位置信号与反馈位置信号比较后, 送入PD 位置反馈控制器, PD 控制器 的 输 入 信 号 为 速 度 给 定 信 号, 速 度 给 定 信 号 与 DOB 的 输 出 信 号 比 较。
6、 后, 所 得 的 偏 差 送 入 被 控 对 象, 被 控 对 象 的 输 出 为 实 际 输 出 的 速 度 信 号, 经 过 积 分 器 后, 所 得 信 号 即 为 实 际 的 位 置 信号。 2. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓 加 工 的 方 法, 其 特 征 在 于 : 所 述 的 VGZPETC 的 设 计 方 法 是 根 据 系 统 的 逆 思 想 设 计 的, 能 够 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 由 于 理 想 伺 。
7、服 系 统 的 幅 频 特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1, 因 此 变 增 益 控 制 器 应 为 ; 当 闭 环 系 统 不 包 含 不 可 对 消 的 零 点 时, 理 想 的 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制器ZPETC 的表达式为 : 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 零相位误差跟踪控制器的输出 ; 系统的参考输入 ; 超前d 步 ; 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式 ; 当闭环系统包含不可对消的零点时, ZPETC 的表达式为 : 式 中 : 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 可 接 受 的 部 分, 即 。
8、可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 不 可 接 受 的 部 分, 即 不 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 用z 替换z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; 当z=1 时不可接受部分的多项式 ; 权 利 要 求 书CN 101989080 A 2/2 页 3 变增益控制器为: 。 3. 根据权利要求1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 该方法采用嵌入控制电路DSP 处理器中的控制程序, 该程序按以下步骤执行 : 步骤一 系统初始化 ; 步骤二 电机动子初始定位 ; 步骤三 允许INT1, I。
9、NT2 中断 ; 步骤四 启动T1 下溢中断 ; 步骤五 中断等待 ; 步骤六 T1 中断处理 ; 步骤七 保护中断处理 ; 步骤八 结束。 4. 根据权利要求1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 上述步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 禁止所有中断 ; 步骤2 封锁IPM ; 步骤3 中断返回。 5. 根据权利要求1 所述的用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法, 其特征在于 : 所述步骤六中T1 中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 保护现场 ; 步骤2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤3, 否则进入步骤4 ; 步。
10、骤3 调用扰动观测器子程序进行干扰抑制 ; 步骤4 判断是否位置调节, 是进入步骤5, 否则进入步骤9 ; 步骤5 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 步骤6 位置PD 调节 ; 步骤7 速度采样, 位置PD 调节器输出信号比较后获得速度偏差 ; 步骤8 速度PI 调节 ; 步骤9 调用VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 步骤10 电流采样 ; 步骤11 对电流值进行3S/2R 变换 ; 步骤12 利用q 轴电流计算推力 ; 步骤13 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 步骤14 电流调节器进行电流调节 ; 步骤15 对控制器输出电流值进行2R/3S 变换 ; 步骤16 用。
11、变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得PWM 信号 ; 步骤17 恢复现场 ; 步骤18 中断返回。 权 利 要 求 书CN 101989080 A 1/14 页 4 用变增益零相位误差跟踪和扰动观测实现轮廓加工的方法 0001 技术领域 : 本 发 明 属 于 数 控 轮 廓 加 工 技 术 和 电 机 控 制 领 域, 特 别 涉 及 一 种 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪控制器和扰动观测器相结合来实现高精度轮廓加工的控制方法。 0002 背景技术 : 先 进 制 造 技 术 是 当 前 国 家 重 点 发 展 领 域, 其 核 心 是 先 进 制 造 设 备。 直 线 交。
12、 流 伺 服 进 给 技 术 是 各 类 数 控 机 床 中 最 具 代 表 性 的 先 进 水 平 标 志 之 一, 是 实 现 亚 微 米 乃 至 纳 米 加 工 的 主 要 技 术 手 段, 是 加 工 中 心、 柔 性 制 造 单 元、 柔 性 制 造 系 统 的 基 础 技 术。 提 高 我 国 交 流 伺 服 系 统 理 论, 将 能 够 有 助 于 开 发 出 精 度 更 高、 伺 服 性 能 更 好 的 直 线 交 流 伺 服 系 统, 有 助 于 提 高 我 国 高 精 度 数 控 机 床 的 制 造 水 平, 推 动 数 控 技 术 的 发 展, 其 社 会 效 益 和 经。
13、 济 效 益 都 将 是 显 著 的。 0003 尽 管 当 前 的 交 流 伺 服 ( 旋 转 电 动 机 ) 系 统 性 能 已 很 先 进, 但 由 于 受 到 传 统 机 械 结 构 ( 即 旋 转 电 动 机 + 滚 珠 丝 杠 ) 进 给 传 动 方 式 的 限 制, 可 能 达 到 的 最 大 进 给 速 度 只 有 4060m/ min, 加 速 度 为 0.6g, 重 复 精 度 达 0.002mm, 与 高 速 切 削 要 求 相 差 甚 远。 在 高 速 进 给 时, 存 在 转 动 惯 量 大、 扭 矩 刚 度 低、 摩 擦 磨 损 和 发 热 严 重、 自 身 的 弹。
14、 性 变 形 和 热 变 形、 反 向 间 隙 等 会 造 成 运 动 的 滞 后 和 其 它 非 线 性 误 差 等 一 系 列 问 题。 目 前, 现 代 高 速 精 密 数 控 机 床 要 求 高 速 电主轴高达60 000100 000r/min, 功率1580kW, 进给速度为60200m/min, 进给加 ( 减 ) 速 度达15g, 甚至更高。 不改变进给传动方式, 很难有突破性的提高。 革除中间传动链及变换 环节已是势在必行。 这就使得一种崭新的直接驱动的进给传动方式直线伺服电动机控 制 系 统 应 运 而 生。 随 着 永 磁 体 材 料 性 能 的 提 高 和 应 用 技 。
15、术 的 发 展, 采 用 高 能 永 磁 体 的 永 磁 直 线 同 步 电 动 机 (PMLSM) , 因 其 具 有 推 力 强 度 高、 损 耗 低、 电 气 时 间 常 数 小、 响 应 快、 控 制 比 较 容 易 等 一 系 列 特 点, 因 而 成 为 当 前 直 线 伺 服 驱 动 的 代 表 性 机 型。 随 着 在 高 档 数 控 机 床 进 给驱动中的应用, 将会成为新一代数控机床直线进给的主流。 0004 直线电机驱动在获得了诸多优点的同时, 也给控制上带来了困难。 这就是说, 机械 上 的 简 化 增 加 了 电 气 方 面 控 制 的 难 度。 因 为 直 线 电 。
16、机 存 在 着 特 有 的 端 部 效 应、 系 统 参 数 摄 动、 负 载 扰 动 等 诸 多 不 确 定 性 因 素 的 影 响 也 将 直 接 反 应 到 直 线 电 动 机 的 运 动 控 制 器 中, 而 没 有 任 何 中 间 的 缓 冲 环 节, 对 系 统 性 能 造 成 更 敏 感 的 影 响, 这 给 控 制 器 的 设 计 带 来 了 困 难。 为 此, 要 求 所 设 计 的 系 统 具 有 十 分 优 良 的 鲁 棒 性 能 和 跟 踪 性 能, 以 保 证 使 PMLSM 实 现 高 精 度与高速度的伺服进给, 满足数控机床的加工要求, 这正是本发明所要解决的核心。
17、问题。 0005 随 着 复 杂 型 面 零 件 加 工 精 度 不 断 提 高 的 需 要, 机 床 进 给 系 统 的 轮 廓 跟 踪 精 度 已 成 为 其 重 要 的 精 度 指 标 之 一。 就 数 控 机 床 系 统 来 讲, 其 轮 廓 加 工 轨 迹 是 多 轴 协 调 运 动 的 合 成 结 果, 轮 廓 精 度 的 提 高 涉 及 到 机 床 每 个 进 给 轴 动 态 特 性 和 参 数 匹 配, 并 对 各 单 轴 进 给 驱 动 系 统 要 求 反 应 快、 运 动 控 制 精 度 高、 响 应 频 带 宽、 扰 动 抑 制 能 力 强 和 对 对 象 参 数 变 化。
18、 的 强 鲁 棒 性, 以 取 得 尽 可 能 小 的 跟 随 误 差, 进 而 提 高 轮 廓 加 工 精 度。 在 数 控 机 床 的 轮 廓 加 工 中, 一 般 采 用 常 规 比 例 (P) 型 或 比 例 微 分 (PD) 型 控 制 器, 它 对 各 坐 标 轴 的 参 数 匹 配 有 严 格 的 限 制。 同 时 由 于 切 削 力、 导 轨 非 线 性 摩 擦 力、 系 统 模 型 振 动 的 影 响, 都 可 能 严 重 地 降 低 了 整 个 闭环系统的控制性能。 一些研究指出, 只要跟随控制算法能保证系统有足够的带宽、 扰动抑 说 明 书CN 101989080 A 2。
19、/14 页 5 制 能 力 及 鲁 棒 性, 就 可 以 满 足 轮 廓 运 动 的 精 度 要 求。 通 过 减 小 单 轴 的 跟 踪 误 差 来 提 高 轮 廓 加工精度, 正是基于这种认识, 来研究减小轮廓误差的。 常规的跟随控制算法靠提高增益来 拓 宽 频 响 带 宽, 但 其 可 能 导 致 受 激 系 统 产 生 非 建 模 特 性, 甚 至 系 统 振 荡, 因 而 提 高 增 益 受 到 限 制, 本 发 明 采 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 来 提 高 系 统 的 快 速 跟 踪 性 能, 采 用 扰 动 观 测器其来抑制扰动等不确定因素的影响。 。
20、0006 发明内容 : 发明目的 : 针 对 现 有 技 术 中 存 在 的 问 题, 本 发 明 提 供 一 种 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 和 扰 动 观测器来实现高精度轮廓加工的方法。 0007 技术方案 : 本发明的技术方案为 : 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 和 扰 动 观 测 实 现 轮 廓 加 工 的 方 法, 其 特 征 在 于 : 用 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 与 扰 动 观 测 器 相 结 合 来 提 高 轮 廓 加 工 精 度 的 方 法, 该 方 法 包 括 : VGZPETC、 PD 位置控制器、 D。
21、OB、 和被控对象四部分, 其中 : VGZPETC, 用 以 消 除 闭 合 回 路 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差 以 及 建 模 误 差 并 补 偿 了 增 益 损失 ; PD 位置控制器, 用以改善位置回路响应特性 ; DOB, 用以消除系统的扰动, 并使速度回路的传递函数成为参考模型 ; 被控对象, 是由电机、 速度环和电流环三部分组成 ; 所 述 VGZPETC 的 输 入 信 号 为 位 置 参 考 指 令, 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 经 过 VGZPETC 后 的 输 出 位 置 信 号 。
22、与 反 馈 位 置 信 号 比 较 后, 送 入 PD 位 置 反 馈 控制器, PD 控制器的输入信号为速度给定信号, 速度给定信号与DOB 的输出信号比较后, 所 得 的 偏 差 送 入 被 控 对 象, 被 控 对 象 的 输 出 为 实 际 输 出 的 速 度 信 号, 经 过 积 分 器 后, 所 得 信 号 即为实际的位置信号。 0008 所 述 的 VGZPETC 的 设 计 方 法 是 根 据 系 统 的 逆 思 想 设 计 的, 可 以 根 据 前 一 时 刻 的 输 入 和 输 出 值 来 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益 ; 由 于 理 想 伺 服 系 统 的 幅 。
23、频 特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1, 因 此 变 增 益 控 制 器 应 为 ; 这 样 可 以 在 一 定 程 度 上 克 服 ZPETC 由 于 建 模 误 差 和 参 数 变 化 招 致 增益损失而产生的影响, 虽然这样做不能使输入输出的相位差完全为0, 但是其补偿器是根 据零相位误差跟踪控制的原理来设计的, 因此称其为变增益ZPETC。 当闭环系统不包含不可 对消的零点时, 理想的ZPETC 的表达式为 : 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 零相位误差跟踪控制器的输出 ; 系统的参考输入 ; 超前d 步 ; 说 明 书CN 101989080 A 3/14 。
24、页 6 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式 ; 当闭环系统包含不可对消的零点时, ZPETC 的表达式为 : 式 中 : 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 可 接 受 的 部 分, 即 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 不 可 接 受 的 部 分, 即 不 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 用z 替换z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; 当z=1 时不可接受部分的多项式 ; 变增益控制器为: 。 0009 该方法采用嵌入控制电路DSP 处理器中的控制程序, 该程序按以下步骤执行 :。
25、 步骤一 系统初始化 ; 步骤二 电机动子初始定位 ; 步骤三 允许INT1, INT2 中断 ; 步骤四 启动T1 下溢中断 ; 步骤五 中断等待 ; 步骤六 T1 中断处理 ; 步骤七 保护中断处理 ; 步骤八 结束。 0010 上述步骤七中保护中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 禁止所有中断 ; 步骤2 封锁IPM ; 步骤3 中断返回。 0011 所述步骤六中T1 中断处理过程按以下步骤执行 : 步骤1 保护现场 ; 步骤2 判断是否调进行扰动补偿, 是进入步骤3, 否则进入步骤4 ; 步骤3 调用扰动观测器子程序进行干扰抑制 ; 步骤4 判断是否位置调节, 是进入步骤5, 否则进。
26、入步骤9 ; 步骤5 位置采样, 并与给定值比较后获得位置偏差 ; 步骤6 位置PD 调节 ; 步骤7 速度采样, 位置PD 调节器输出信号比 较后获得速度偏差 ; 步骤8 速度PI 调节 ; 步骤9 调用VGZPETC 子程序进行前馈补偿 ; 步骤10 电流采样 ; 说 明 书CN 101989080 A 4/14 页 7 步骤11 对电流值进行3S/2R 变换 ; 步骤12 利用q 轴电流计算推力 ; 步骤13 求出推力偏差作为电流调节器的输入信号 ; 步骤14 电流调节器进行电流调节 ; 步骤15 对控制器输出电流值进行2R/3S 变换 ; 步骤16 用变换得到的电流值作为载波与三角载波。
27、调制获得PWM 信号 ; 步骤17 恢复现场 ; 步骤18 中断返回。 0012 优点及效果 : 结 合 数 控 机 床 轮 廓 运 动 控 制 的 特 点, 本 发 明 提 出 VGZPETC 和 DOB 相 结 合 的 控 制 方 案。 VGZPETC 作 为 前 馈 跟 踪 控 制 器, 提 高 了 快 速 性, 使 系 统 实 现 准 确 跟 踪 ; 基 于 DOB 的 鲁 棒 反 馈 控 制 器 补 偿 了 外 部 扰 动、 未 建 模 动 态、 系 统 参 数 变 化 和 机 械 非 线 性 不 确 定 因 素, 并 根 据 预 测 到 的 扰 动 信 息 对 各 轴 进 行 补 。
28、偿 以 消 除 扰 动 对 系 统 的 影 响, 从 而 保 证 了 系 统 的 强 鲁 棒 性 能, 提高了轮廓加工精度。 0013 附图说明 : 图1 为本发明方法的控制原理框图 ; 图2 为本发明方法采用的轮 廓误差模型曲线图 ; 图3 为本发明方法中扰动观测器控制原理框图 ; 图4 为本发明方法中PD 控制器控制原理框图 ; 图5 为理想零相位误差跟踪控制器控制原理框图 ; 图6 为本发明方法中零相位误差跟踪控制器控制原理框图 ; 图7 为本发明方法中变增益零相位误差跟踪控制器控制系统原理框图 ; 图8 为本发明方法中控制电路框图 ; 图9 为采用本发明方法获得的位置跟踪误差曲线图, 。
29、图10 为DSP 处理器及其部分外围电路原理图, 图11 为静态存储器U3 的连接关系图, 图12 为静态存储器U4 的连接关系图, 图13 为地址外扩口P3 的连接关系图, 图14 为U17 的连接关系图, 图15 为P5 的电路原理图, 图16 为模拟外扩口P2 的连接关系图, 图17 为外扩I/O 口P1 的连接关系图, 图18 为控制口P4 的连接关系图, 图19 为DSP 外围晶振电路原理图, 图20 为U19、 U16、 U10、 U14、 U8、 U1 及其外围电路原理图, 图21 为电压模块TPS73HD318 及其外围电路原理图, 图22 为RS232 及其外围电路原理图, 。
30、图23 为U7 及其外围电路原理图 ; 图24 为本发明方法中控制程序流程图 ; 说 明 书CN 101989080 A 5/14 页 8 图25 为本发明方法中保护中断处理子程序流程图 ; 图26 为本发明方法中T1 中断处理子程序流程图 ; 图27 为仅采用PD 控制器时位置跟踪误差曲线图 ; 图28 为仅采用PD 控制器和ZPETC 时位置跟踪误差曲线图。 0014 具体实施方式 : 下面结合附图对本发明进行具体说明 : 本 发 明 以 XY 平 台 伺 服 机 构 为 实 验 设 备, 电 机 驱 动 器 设 定 在 扭 力 模 式, 先 利 用 系 统 识 别 获 得 一 个 输 入。
31、 命 令 与 输 出 速 度 之 间 的 系 统 传 递 函 数。 以 此 传 递 函 数 为 依 据, 将 摩 擦 力 的 影 响视为系统的扰动, 并使用扰动观测器 (DOB) 作为速度回路的控制器, 使输入命令与输出速 度 为 一 线 性 关 系。 位 置 回 路 控 制 器 则 使 用 PD 控 制 器, 调 整 位 置 响 应 到 最 佳 的 情 况, 再 加 入 变 增 益 零 相 位 误 差 跟 踪 控 制 器 (VGZPETC) 作 为 前 馈 控 制 器, 来 消 除 客 观 上 普 遍 存 在 的 对 象 由于电磁作用和机械作用产生的滞后现象。 0015 本发明方法的控制原理。
32、框图如图1 所示, 包括VGZPETC、 PD 位置控制器、 DOB、 和被 控对象四部分。 其中VGZPETC 用以消除闭合回路系统相位滞后所产生的误差 ; PD 控制器用 以 改 善 位 置 回 路 响 应 特 性 ; DOB 用 以 消 除 系 统 的 扰 动, 并 使 速 度 回 路 的 传 递 函 数 成 为 参 考 模型 ; 被控对象是由电机、 速度环和电流环三部分组成。VGZPETC 的输入信号为位置参考指 令, 经过VGZPETC 后的输出位置信号与反馈位置信号比较后, 送入PD 位置反馈控制器, PD 控 制 器 的 输 入 信 号 为 速 度 给 定 信 号, 速 度 给 。
33、定 信 号 与 DOB 的 输 出 信 号 比 较 后, 所 得 的 偏 差 送 入 被 控 对 象, 被 控 对 象 的 输 出 为 实 际 输 出 的 速 度 信 号, 经 过 积 分 器 后, 所 得 的 信 号 即 为 实 际 的位置信号。 0016 目 前 在 数 控 机 床 加 工 过 程 中, 轮 廓 误 差 是 在 多 轴 联 动 时, 由 各 个 单 轴 的 位 置 误 差 耦合产生的。 因此, 系统运行时, 各个单轴受到任何的负载扰动或参数不匹配都可能影响轮 廓 误 差。 这 里, 以 两 轴 联 动 系 统 为 研 究 对 象, 根 据 实 际 情 况, 其 轮 廓 误 。
34、差 模 型 曲 线 如 图 2 所 示, 其 中, 为 轮 廓 曲 线 ; 为 实 际 位 置 ; 为 参 考 位 置 ; 为 跟 踪 误 差, 即 刀 具 的 实 际 位 置 与 参 考 位 置 之 间 的 差 距, 跟 踪 误 差 沿 机 床 各 坐 标 轴 上 的 分 量 用 、 表 示 ; 为 轮 廓 误 差, 即刀具的实际位置到轮廓曲线的最短距离。 在数控机床高性能轮廓控制系统中通常存在机 械非线性、 摩擦及惯量变化, 这些变化都可能引起模型参数的变化。 此时采用传统的PID 调 节器已经不能满足数控机床轮廓加工精度的要求。 0017 本 发 明 方 法 用 于 永 磁 直 线 同 。
35、步 电 动 机 伺 服 系 统, 通 过 减 小 跟 踪 误 差 的 方 法 间 接 减 小 轮 廓 误 差, 同 时 采 用 基 于 扰 动 观 测 器 的 变 增 益 零 相 位 鲁 棒 控 制。 为 了 使 系 统 具 有 强 鲁 棒 性, DOB 用 来 补 偿 外 部 扰 动 和 对 象 的 不 确 定 性, 并 让 系 统 的 传 递 函 数 成 为 预 设 定 的 标 称 对 象 ; 在 利 用 DOB 使 速 度 模 式 确 保 为 预 设 定 的 标 称 传 递 函 数 后, 接 着 设 计 位 置 反 馈 回 路, 本 发 明 采 用 了 PD 控 制 器。 由 于 系 统。
36、 存 在 滞 后 现 象, 为 了 补 偿 系 统 相 位 滞 后 所 产 生 的 误 差, 并 使 得系统有良好的快速动态跟踪性能, 引入VGZPETC 来作为前馈控制器。 0018 本发明方法包括以下具体步骤 : 一、 DOB 的设计 由 于 扰 动 形 式 具 有 多 变 化, 不 确 定 及 随 机 性, 因 此 无 法 预 见 和 直 接 测 量, 最 终 影 响 到 对 象模型。 在本发明方法设计中, DOB 将系统不确定性视为系统扰动, 并对扰动进行有效地估 测 和 补 偿, 在 误 差 允 许 范 围 内 可 以 将 实 际 模 型 用 其 参 考 模 型 来 等 价。 扰 动。
37、 观 测 器 的 控 制 结 说 明 书CN 101989080 A 6/14 页 9 构 如 图 3 所 示。 其 中, 为 速 度 环 的 给 定 输 入 信 号 ; 为 系 统 的 外 部 扰 动 ; 为 扰 动 的 估 计 量 ; 为 测 量 噪 声 ; 为 实 际 对 象 的 传 递 函 数 ; 为 标 称 对 象 的 传 递 函 数 ; 为 低 通滤波器。 0019 当 , 由图3 得 :(1) 速度 可表示为(2) 从 式 (2) 可 知, 若 能 够 消 除 测 量 噪 声 的 影 响, 则 输 出 速 度 与 输 入 指 令 之 间 的 关 系 将 成 为 标 称 对 象。 。
38、式 (2) 表 明 如 果 , 扰 动 观 测 器 不 能 实 现, 表 明 不 可 独 立 实 现, 因 此 必 须 适 当 设 计 , 并 使 得 可 以 实 现, 也 就 是 的 相 对 阶 数 等 于 或 大 于 的相对阶数, 其次, 必须能消除测量误差的影响。根据图3, 速度 可表示为(3) 式中, , , 。 0020 如 果 , 上 面 三 个 传 递 函 数 为 , , , 可 见 式 (2) 近 似 成 立。 这 表 明 扰 动 观 测 器 可 以 使 实 际 对 象 表 现 为 标 称 对 象, 这 为 控 制 系 统 提 供 了 较 强 的 鲁 棒性。 如果 , 那么 ,。
39、 , , 这样观测了速度环的开环动态。 因此, 对于扰动抑制和模型不确定性, 要合理选择 , 的低频动态要接近于1, 高频动态必 须接近于0。 因此 的相对阶等于或大于 的相对阶, 这里将采用三阶低通滤波器来 满足上述特性。 0021 (4) 选择不同的 值, 对应 不同的截止频率。 0022 由 此 可 见,DOB 的 性 能 很 大 程 度 上 取 决 于 滤 波 器 的 设 计,DOB 主 要 设 计 的 是 的 阶 次、 相 对 阶 和 带 宽。 的 相 对 阶 应 不 小 于 标 称 对 象 的 传 递 函 数 的 相 对 阶, 其 带 宽 要 考 虑 鲁 棒 性 和 扰 动 抑 制。
40、 能 力 的 折 衷, 的 频 带 越 宽 系 统 扰 动 抑 制 能 力 越 强, 但 系 统 的鲁棒性会变差。 0023 二、 位置回路PD 控制器设计 在利用DOB 使速度模式确保为预设的 传递函数后, 接着设计位置反馈控制器。 因 为位置回路有一个极点在原点, 所以控制器必须稳定此系统, 本发明利用PD 控制器。PD 控 制 器 若 在 离 散 化 的 过 程 中 将 采 样 时 间 分 离 出 来 的 话, 将 可 以 直 接 在 连 续 模 式 下 设 计 PD 增 说 明 书CN 101989080 A 7/14 页 10 益值, 再将所求得的增益值直接代入离散化的方程式中, 即。
41、可得到相应的响应。 0024 PD 控 制 器 原 理 图 如 图 4 所 示, 其 输 出 信 号 与 偏 差 输 入 信 号 的 关 系 如 下 式 所示 :(5) 式中 : 可调微分时间常数 ; 比例系数。 0025 在 PD 控 制 器 中, 微 分 控 制 规 律 能 够 反 应 出 输 入 信 号 的 变 化 趋 势, 产 生 有 效 的 早 期 修正信号, 以增加系统的阻尼程度, 从而改善系统的稳定性。 0026 三、 VGZPETC 的设计方法 数 控 机 床 进 给 伺 服 系 统 的 设 计 中, 采 用 前 馈 控 制 可 以 大 大 拓 宽 系 统 的 频 带, 提 高。
42、 其 跟 随性能。 反馈控制器有改善系统稳定性, 暂态响应及增加系统鲁棒性的优点。 然而, 反馈控 制 器 主 要 是 靠 误 差 信 号 控 制 系 统, 所 以 反 馈 控 制 系 统 输 入 指 令 和 输 出 响 应 之 间 必 然 有 相 位 滞 后 的 现 象, 在 跟 踪 控 制 时 就 会 产 生 跟 踪 误 差。 要 改 善 此 相 位 滞 后 现 象 可 考 虑 在 闭 环 系 统 前使用一前馈控制器, 本发明中前馈控制器采用的是VGZPETC。VGZPETC 的设计是为了提高 运动控制的跟踪精度, 其基本思想是基于零极点对消。 而且, 针对那些具有不稳定零点的系 统抵消掉。
43、不稳定零点之后, VGZPETC 还可以补偿这些零点产生的相位移, 以便获得零相位误 差。 0027 在说明VGZPETC 时, 先介绍ZPETC 的设计, 它是为了提高运动控制的跟踪精度。 由 于 系 统 在 跟 踪 控 制 时, 系 统 的 输 入 指 令 和 输 出 响 应 之 间 存 在 滞 后 现 象, 其 控 制 器 设 计 的 基 本思想是基于零极点对消。 而且, 针对那些具有不稳定零点的系统, 在抵消掉不稳定零点之 后, ZPETC 还可以补偿这些零点产生的相位移, 以便获得零相位误差。 0028 首先考虑离散化后的闭环系统的传递函数(6) 式中 : , ; , ; 闭环系统的。
44、传递函数 ; 闭环系统所造成的d 步延迟 ; 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式。 0029 若 上 述 闭 环 系 统 不 包 含 不 可 对 消 的 零 点 ( 单 位 圆 外 的 零 点 ) , 即 前 馈 控 制 器 为 理 想 的ZPETC( ) , 如图5 所示。根据图5, 可以得出输出与输入之间的表达式 : 说 明 书CN 101989080 A 8/14 页 11(7) 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 系统的参考输入 ; 超前d 步 ; 闭环传递函数的分母多项式, 且首项为1 ; 闭环传递函数的分子多项式 ; 系统的实际输出。。
45、 0030 若 系 统 的 初 始 条 件 为 零, 由 式 (7) 可 知 前 馈 控 制 器 使 系 统 的 输 出 完 全 跟 随 期 望轨迹 , 达到理想的跟踪控制效果。 0031 若 式 (6) 所 描 述 的 系 统 包 含 不 可 对 消 的 零 点, 则 不 可 以 设 计 前 馈 控 制 器 直 接 对 消 系 统 的 零 点, 否 则 将 导 致 前 馈 控 制 器 不 稳 定。 下 面 将 针 对 包 含 不 可 对 消 零 点 的 系 统 来 设 计 ZPETC。将 因式分解为(8) 式 中 : 闭 环 传 递 函 数 分 子 多 项 式 中 可 接 受 的 部 分, 。
46、即 可 对 消 的 零 点 多 项 式 ; 闭环传递函数分子多项式中不可接受的部分, 即不可对消的零点多项式。 0032 则闭环传递函数可表示为 :(9) 式中 : 零相位误差跟踪控制器的输出。 0033 根据系统的逆思想设计ZPETC 如图6 所示, 控制器的表达式为(10) 式中 : 零相位误差跟踪控制器的离散传递函数 ; 用z 替换z -1 换时, 不可对消的零点多项式 ; 当z=1 时不可接受部分的多项式 ; 所以由 到 的传递函数为 :(11) 当 时, 输 入 指 令 与 输 出 响 应 之 间 不 存 在 相 位 差, 可 达 到 零 相 位 跟 踪 控 制。 说 明 书CN 1。
47、01989080 A 9/14 页 12 当 0 时, z 1。 所以系统在甚低频时, 使得 。 式(11) 的相位差在整个频 域内趋近于零, 在一幅值接近1。证明如下 , 式中 : ; , 于是得到在频域内的表达式 由 上 式 可 见, 式 (11) 所 表 示 的 输 入 输 出 间 传 递 函 数 无 虚 部, 即 在 所 有 频 率 处 均 无 相 位 差, 且在 时, 即静态时其增益为 1, 而在低频段, 其增益接近于1。 0034 由 于 零 相 位 跟 踪 控 制 是 基 于 零 极 点 对 消 的 办 法 来 进 行 相 位 和 幅 值 补 偿 的, 因 而 零 极点的位置对参。
48、数变化和扰动非常敏感, 而且还存在着一定的建模误差。 所以, 按上述方法 设 计 的 ZPETC 在 实 际 中 有 时 并 不 能 实 现 零 极 点 完 全 对 消, 很 好 地 改 善 跟 踪 性 能, 从 综 合 设 计方面看又由于性能优良的鲁棒控制器也不易获得。 为此, 本发明设计了变增益ZPETC。 实 际 上 可 以 认 为, 对 于 建 模 误 差, 经 过 相 位 补 偿 后, 即 使 没 有 将 相 位 差 完 全 补 偿 到 零, 也 已 经 很 小 了, 并 不 是 造 成 跟 踪 误 差 的 主 要 原 因, 前 向 通 道 上 的 增 益 损 失 才 是 造 成 跟 踪 误 差 的 主 要 原 因, 因 而 需 要 及 时 调 整 前 向 通 道 上 的 增 益。 因 为 系 统 输 入 和 输 出 一 般 是 连 续 的, 所 以, 可以根据前一时刻的输入和输出值来调整前向通道上的增益。 由于理想伺服系统的幅频特 性 应 是 在 全 频 域 内 为 1, 因 此 变 增 益 控 制 器 应 为 , 其 控 制 结 构 如 图 7 所示。 这样。