基于模糊rbf網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型是針對(duì)軸向互相垂直運(yùn)動(dòng)的雙直線電機(jī)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)，發(fā)明了一種基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置。以實(shí)時(shí)輪廓誤差作為該控制器的輸入，通過其強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力使輪廓誤差在有限的時(shí)間內(nèi)趨近于零，提高輪廓加工精度。該裝置包括整整流穩(wěn)壓單元、IPM逆變器、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流檢測單元、位置速度檢測單元、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及故障檢測和保護(hù)電路。其中DSP包括事件管理器EVA的正交編碼脈沖QEP電路、ADC模塊、PWM單元、Flash存儲(chǔ)器單元、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器以及PDPINT引腳且DSP內(nèi)還置有位置信號(hào)給定器、直線電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)以及電流環(huán)的PI控制器、輪廓誤差計(jì)算器、模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償器和驅(qū)動(dòng)器裝置。本實(shí)用新型魯棒性好且適用于任意軌跡的輪廓加工任務(wù)，能實(shí)現(xiàn)高精度的輪廓控制。
【專利說明】基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動(dòng)化控制以及數(shù)控領(lǐng)域，特別涉及一種基于基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分 滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置與控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的不斷發(fā)展，在自動(dòng)控制系統(tǒng)強(qiáng)有力的支撐下，伺服系統(tǒng)發(fā)展迅速，幾乎 在各個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。這也使得在工業(yè)化進(jìn)程加速的今天，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的精度要求也越 隨之變高，可以說它在很大程度上其衡量著一個(gè)國家的綜合國力和科技水平。數(shù)控機(jī)床也 因此成為當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)的加工母機(jī)。它能給國家的各個(gè)部門提供所需的裝備，是工業(yè)生 產(chǎn)爭奪技術(shù)優(yōu)勢的制高點(diǎn)，也是運(yùn)用高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)改造和提升傳統(tǒng)行業(yè)的關(guān)鍵部分，對(duì)實(shí) 現(xiàn)企業(yè)高效率生產(chǎn)及強(qiáng)有的競爭具有重大意義，促使工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展。作為先進(jìn)制造技 術(shù)的核心--數(shù)控技術(shù)，以雙直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)系統(tǒng)最具有代表性，其輪廓跟蹤控 制能力對(duì)提高系統(tǒng)加工精度和性能具有十分重要的作用。
[0003] 直接驅(qū)動(dòng)方式省去了一切中間的傳遞環(huán)節(jié)，雖然帶來了響應(yīng)速度快，效率高等優(yōu) 點(diǎn)，但是也增加了電氣控制上的難度。為了提高雙直線電機(jī)進(jìn)給控制系統(tǒng)的輪廓精度，很多 方法側(cè)重于對(duì)直線電機(jī)單軸進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，通過減少跟隨誤差進(jìn)而減少輪廓誤差，但 是僅僅這樣是解決不了雙軸之間存在的動(dòng)態(tài)不匹配以及任意軌跡跟蹤輪廓誤差模型復(fù)雜 等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有控制技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模 的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置，將智能控制與現(xiàn)代控制方案相結(jié)合設(shè)計(jì)控制器并且由DSP實(shí) 現(xiàn)控制，從而達(dá)到高精度的加工要求。
[0005] -種基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置，該裝置包括整流穩(wěn) 壓單元、IPM逆變器、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流檢測單元、位置速度檢 測單元、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及故障檢測和保護(hù)電路；整流穩(wěn)壓單元連接IPM逆 變器，IPM逆變器通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路連接至雙直線電機(jī)平臺(tái)；霍爾傳感器一方面接至 IPM逆變器與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之間，霍爾傳感器另一方面通過電流檢測單元連接至數(shù)字信號(hào) 處理器DSP;位置速度檢測單元一方面通過光柵尺接至雙直線電機(jī)平臺(tái)，另一方面接至數(shù) 字信號(hào)處理器DSP ; IPM逆變器通過第二個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路連接至光耦隔離電路，光耦隔離電 路一方面連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP，另一方面通過故障檢測和保護(hù)電路連接至整流穩(wěn)壓 單元與IPM逆變器之間。
[0006] 數(shù)字信號(hào)處理器DSP包括事件管理器EVA的正交編碼脈沖電路QEP、ADC模塊、PWM 單元、Flash存儲(chǔ)器單元、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器以及Η)ΡΙΝΤ引腳；QEP連接位置速度檢測單 元，ADC模塊連接電流檢測單元，PWM單元和Η)ΡΙΝΤ引腳均連接至光耦隔離電路。
[0007] 采用基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置進(jìn)行輪廓加工的方 法，包括步驟如下：
[0008] 步驟1 :由TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)的位置信號(hào)給定器提供給雙直線電機(jī) 兩軸相應(yīng)的位置信號(hào)指令，作為兩軸的位置控制量輸入；
[0009] 步驟2 :通過電流、位置以及速度檢測單元對(duì)位置、速度以及電流信號(hào)進(jìn)行采樣且 通過兩軸給定與實(shí)際輸出的比較獲得位置偏差信號(hào)；
[0010] 步驟3 :通過PI位置控制器調(diào)節(jié)單軸的位置偏差信號(hào)，采用輪廓誤差計(jì)算器計(jì)算 出任意軌跡的輪廓誤差量并通過基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償控制， 然后將兩者控制的輸出作為位置驅(qū)動(dòng)裝置的輸入；
[0011] 步驟4 :通過速度信號(hào)檢測單元確定直線電機(jī)的速度；
[0012] 步驟5 :通過光柵尺采樣速度信號(hào)，在TMS320F2812數(shù)字處理器內(nèi)比較后，執(zhí)行速 度環(huán)PI控制器；
[0013] 步驟6 :通過內(nèi)置的電流采樣裝置進(jìn)行電流采樣且在DSP內(nèi)比較后，執(zhí)行電流環(huán)PI 控制器；
[0014] 步驟7 :對(duì)電流值進(jìn)行3/2變換；
[0015] 步驟8 :利用旋轉(zhuǎn)的q軸計(jì)算出轉(zhuǎn)矩；
[0016] 步驟9 :對(duì)輸出計(jì)算轉(zhuǎn)矩進(jìn)行2/3變換；
[0017] 步驟10 :對(duì)變換后的電流值作為載波與三角波調(diào)制，讓數(shù)字信號(hào)處理器DSP產(chǎn)生 六路PWM脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)雙直線電機(jī)的兩軸按照電流指令的大小進(jìn)行給定輪廓軌跡加工運(yùn) 動(dòng)；
[0018] 整流穩(wěn)壓電路把三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電給IPM逆變單元供電，IPM逆變單元根 據(jù)DSP產(chǎn)生的六路PWM脈沖信號(hào)對(duì)IPM逆變單元內(nèi)的六個(gè)IGBT開關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn) 行控制，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)行。
[0019] 步驟3中所述的采用輪廓誤差計(jì)算器計(jì)算出任意軌跡的輪廓誤差量并通過內(nèi)置 的輪廓誤差補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償控制，然后將兩者控制的輸出作為位置驅(qū)動(dòng)裝置的輸入，包 括步驟如下：
[0020] 步驟3-1 :根據(jù)實(shí)時(shí)的位置、速度以及電流信號(hào)和位置偏差信號(hào)計(jì)算出輪廓誤差 值且任意軌跡的輪廊誤差值可由ε = -ex · sin Φ +ey · cos Φ表不且滿足X軸跟蹤誤差是 ex ;y軸跟蹤誤差是ey ;x軸與給定路徑上一點(diǎn)和期望位置之間連線的夾角是Φ .
[0021] 步驟3-2 :當(dāng)輪廓誤差存在時(shí)，基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償 裝置的輸入是與輪廓誤差相關(guān)的滑模切換函數(shù)s (t)，可以由以下公式確定 ^ t
[0022] s(t) = (― + λ)^ε{?)?
[0023] 其中：λ為大于零的常數(shù)；控制的目的是使沖)=0即輪廓誤差ε - 〇
[0024] 步驟3-3 :采用具有自學(xué)習(xí)能力的模糊RBF網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行逼近學(xué)習(xí)和 模糊輸出，所述的目標(biāo)函數(shù)為E = .s'(屮⑴：
[0025] 學(xué)習(xí)算法選擇為 「 ^ 4 cE cSS 0UIXX
[0026] wfo =-/；- = -η ---r- - cUFm dwko
[0027] 定義規(guī)則層和隸屬度函數(shù)層的誤差項(xiàng)為
[0028] A,產(chǎn)如秦- dUFNN dy： dyldnetl Μ Γλλλλ? 又2 OSS SUFNNdy0 dyk diiefk 〇yj ^^.33
[。_ 卜-私
[0030] 通過如下方式來調(diào)整隸屬度函數(shù)參數(shù) 「 ? cE cE Kx-c^)
[0031] ΔΓ; =-7；^- = -/; -~- -- = ~η?]-；- (t.,, diet： vc" ' σ： 「 ， A 6E cE 〇ηβ? ,., 2(x-cn)
[0032] Ασ? = -η -- = -η -~-^- =-η〇~-- (町 y (A丨 σ'η
[0033] 其中：高斯型隸屬函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為和〇 u ;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)矩陣為 Wto
[0034] 模糊輸出值為
[0035] J； = f-x) / = 1,2
[0036] v· = //(net;：) = exp(-j = 12……n (σ,)2 N
[0037] y； =neil
[0038] 其中：輪廓補(bǔ)償裝置的輸入為%為模糊控制的輸出；
[0039] 步驟3-4 :由模糊輸出和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)矩陣相乘，可以得到輪廓誤差補(bǔ)償裝 置的位置補(bǔ)償信號(hào) N
[0040] UFNN = y〇 = Wko · yk wko · yk o = \ M
[0041] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：針對(duì)軸向相互垂直運(yùn)動(dòng)的雙直線電機(jī)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)，提出了一個(gè) 模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償裝置和方法。此控制方法能夠?qū)θ我獾能壽E進(jìn)行跟蹤作 業(yè)，并且將現(xiàn)代的滑?？刂婆c智能控制相結(jié)合有效地消除了滑模自身存在的抖振問題。不 失滑模魯棒性的前提下，對(duì)雙直線電機(jī)的輪廓誤差進(jìn)行直接控制，有效地提高了整個(gè)控制 系統(tǒng)的輪廓精度。本發(fā)明把每個(gè)單軸的跟蹤誤差根據(jù)輪廓誤差計(jì)算方法得到整體的輪廓誤 差，然后通過控制器的設(shè)計(jì)來使誤差量逐漸趨近于零。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的輪廓補(bǔ)償控制裝置和方法的系統(tǒng)框圖
[0043] 圖2為本發(fā)明所設(shè)計(jì)任意軌跡輪廓誤差模型圖
[0044] 圖3為本發(fā)明所設(shè)計(jì)模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償方法的結(jié)構(gòu)示意圖
[0045] 圖4為本發(fā)明所設(shè)計(jì)裝置及方法的整體流程圖
[0046] 圖5為本發(fā)明所設(shè)計(jì)輪廓補(bǔ)償裝置硬件圖
[0047] 圖5- ( 1)為電流檢測電路圖
[0048] 圖5- (2)為位置檢測電路圖
[0049] 圖5- (3)為控制電源電路圖
[0050] 圖5- (4)為驅(qū)動(dòng)電路圖
[0051] 圖5- (5)為IPM隔離逆變以及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路圖。

【具體實(shí)施方式】：
[0052] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體描述：
[0053] -種基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置與方法，該裝置包括 整流穩(wěn)壓單元、IPM逆變器、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流檢測單元、位置 速度檢測單元、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及故障檢測和保護(hù)電路。整流穩(wěn)壓單元連接 IPM逆變器，IPM逆變器通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路連接至雙直線電機(jī)平臺(tái)；霍爾傳感器一方面 接至IPM逆變器與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之間，霍爾傳感器另一方面通過電流檢測單元連接至數(shù)字 信號(hào)處理器DSP;位置速度檢測單元一方面通過光柵尺接至雙直線電機(jī)平臺(tái)，另一方面接 至數(shù)字信號(hào)處理器DSP ; IPM逆變器通過第二個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路連接至光耦隔離電路，光耦隔 離電路一方面連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP，另一方面通過故障檢測和保護(hù)電路連接至整流 穩(wěn)壓單元與IPM逆變器之間。數(shù)字信號(hào)處理器DSP包括事件管理器EVA的正交編碼脈沖電 路QEP、ADC模塊、PWM單元、Flash存儲(chǔ)器單元、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器以及Η)ΡΙΝΤ引腳；QEP 連接位置速度檢測單元，ADC模塊連接電流檢測單元，PWM單元和Η)ΡΙΝΤ引腳均連接至光耦 隔離電路。
[0054] DSP內(nèi)還置有位置信號(hào)給定器、直線電機(jī)位置信號(hào)、速度信號(hào)以及電流信號(hào)的PI 控制器、輪廓誤差計(jì)算器、模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償器和驅(qū)動(dòng)器裝置。這些控制器裝 置在DSP內(nèi)的實(shí)現(xiàn)工作原理即是通過開定時(shí)器中斷，調(diào)用儲(chǔ)存在程序存儲(chǔ)器中的相應(yīng)控制 裝置并完成相應(yīng)的控制，具體流程如下即由位置信號(hào)給定器首先根據(jù)規(guī)劃加工的任意軌跡 設(shè)定好雙直線電機(jī)各個(gè)軸的初始位置，其次經(jīng)過直線電機(jī)位置信號(hào)的PI控制器裝置對(duì)雙 直線電機(jī)平臺(tái)進(jìn)行控制，得到一個(gè)輸出信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)器裝置控制信號(hào)的一部分；然后根據(jù) 控制系統(tǒng)所得的雙直線電機(jī)各個(gè)軸的單軸位置誤差信號(hào)經(jīng)過輪廓誤差計(jì)算器的計(jì)算以后 得到模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償器裝置的輸入，通過該裝置控制以后得到一個(gè)輸出信 號(hào)并作為驅(qū)動(dòng)器裝置控制信號(hào)的另一部分，最后將驅(qū)動(dòng)器裝置的輸出作為速度環(huán)PI控制 器裝置的輸入，通過控制以后得到直線電機(jī)的單軸控制量，結(jié)構(gòu)框圖由圖1所示。
[0055] 圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝 置與方法的結(jié)構(gòu)框圖，其中X d，Yd和Xa，Ya表示各軸的輸入輸出，ξ x和ξ y為雙直線電機(jī)所 對(duì)應(yīng)的兩軸的擾動(dòng)，ex和ey為雙直線電機(jī)所對(duì)應(yīng)的兩軸的位置誤差，u x和uy為雙直線電機(jī) 所對(duì)應(yīng)的兩軸的控制輸入量，Cx和(；為雙直線電機(jī)所對(duì)應(yīng)的兩軸的補(bǔ)償增益值，ε為任意 軌跡跟蹤時(shí)的實(shí)時(shí)輪廓誤差值，s(t)為與輪廓誤差有關(guān)的滑模切換面，w，σ，c為模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和隸屬度函數(shù)參數(shù)，本發(fā)明就是利用智能控制的自學(xué)習(xí)能力來逼近與輪廓 誤差有關(guān)的滑模面函數(shù)使其在有限時(shí)間最小化，即輪廓誤差最小化。達(dá)到高精度的輪廓補(bǔ) 償控制。最終實(shí)現(xiàn)了模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償控制裝置的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1中的虛線框I所示。所提到的任意軌跡的輪廓誤差量可以由圖2所示的幾何關(guān)系得到。 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償裝置的作用是提高系統(tǒng)魯棒性的同時(shí)消 除抖振并達(dá)到高精度加工要求。
[0056] 圖2可知任意軌跡的輪廓誤差表達(dá)式為ε = -ex · sin<i)+ey · cos<i)其中X軸跟 蹤誤差是ex ;y軸跟蹤誤差是ey ;x軸與給定路徑上一點(diǎn)和期望位置之間連線的夾角是Φ。
[0057] 基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)步驟如下：
[0058] 步驟1 :由TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)的位置信號(hào)給定器提供給雙直線電機(jī) 兩軸相應(yīng)的位置信號(hào)指令，作為兩軸的位置控制量輸入；
[0059] 步驟2 :通過信號(hào)采集器對(duì)位置、速度以及電流信號(hào)進(jìn)行采樣且通過兩軸給定與 實(shí)際輸出的比較獲得位置偏差信號(hào)；
[0060] 步驟3 :通過DSP內(nèi)置的ΡΙ位置控制器調(diào)節(jié)單軸的位置偏差信號(hào)，采用輪廓誤差 計(jì)算器計(jì)算出任意軌跡的輪廓誤差量并通過內(nèi)置的輪廓誤差補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償控制，然后 將兩者控制的輸出作為位置驅(qū)動(dòng)裝置的輸入；
[0061] 步驟4 :通過速度信號(hào)檢測單元確定直線電機(jī)的速度；
[0062] 步驟5 :通過光柵尺采樣，在TMS320F2812數(shù)字處理器內(nèi)比較后，執(zhí)行ΡΙ控制器；
[0063] 步驟6 :通過內(nèi)置的電流檢測單元進(jìn)行電流采樣且在DSP內(nèi)比較后，執(zhí)行ΡΙ控制 器；
[0064] 步驟7 :對(duì)電流值進(jìn)行3/2變換；
[0065] 步驟8 :利用旋轉(zhuǎn)的q軸計(jì)算出轉(zhuǎn)矩；
[0066] 步驟9 :對(duì)輸出計(jì)算轉(zhuǎn)矩進(jìn)行2/3變換
[0067] 步驟10 :對(duì)變換后的電流值作為載波與三角波調(diào)制，讓數(shù)字信號(hào)處理器DSP產(chǎn)生 六路PWM脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)雙直線電機(jī)的兩軸按照電流指令的大小進(jìn)行給定輪廓軌跡加工運(yùn) 動(dòng)；
[0068] 整流穩(wěn)壓電路把三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電給IPM逆變單元供電，IPM逆變單元根 據(jù)DSP產(chǎn)生的六路PWM脈沖信號(hào)對(duì)IPM逆變單元內(nèi)的六個(gè)IGBT開關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn) 行控制，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)行。
[0069] 步驟3中所述的采用輪廓誤差計(jì)算器計(jì)算出任意軌跡的輪廓誤差量并通過內(nèi)置 的輪廓誤差補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償控制，然后將兩者控制的輸出作為位置驅(qū)動(dòng)裝置的輸入，包 括步驟如下：
[0070] 步驟3-1 :根據(jù)實(shí)時(shí)的位置、速度以及電流信號(hào)和位置偏差信號(hào)計(jì)算出輪廓誤差 值且任意軌跡的輪廊誤差值可由ε = -ex · sin Φ+ey · cos Φ表不且滿足X軸跟蹤誤差是 ex ;y軸跟蹤誤差是ey ;x軸與給定路徑上一點(diǎn)和期望位置之間連線的夾角是Φ .
[0071] 步驟3-2 :當(dāng)輪廓誤差存在時(shí)，基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償 裝置的輸入是與輪廓誤差相關(guān)的滑模切換函數(shù)s (t)，可以由以下公式確定
[0072] = (-^- + /1)] s(})dt
[0073] 其中：λ為大于零的常數(shù)；控制的目的是使鄧)=i〇) = 0即輪廓誤差ε - 〇
[0074] 步驟3-3 :采用具有自學(xué)習(xí)能力的模糊RBF網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行逼近學(xué)習(xí)和 模糊輸出，所述的目標(biāo)函數(shù)為E = .V(0.中：)；
[0075] 學(xué)習(xí)算法選擇為 「 ? 4 〇E cSS ου,Λχ
[0076] η·α" =-//- = -η --- dUFNN dwko
[0077] 定義規(guī)則層和隸屬度函數(shù)層的誤差項(xiàng)為
[0078] ^ =-Π dU/T% SUFNN dya dyk onetk M Γ""_? " a? duFm^4〇 ^yl ^,2j ^
[0079] Sj -η- -^~Λ 3 " i " 9 " 2 dUFNN Sy。dykdiei d)「j dnefj k
[0080] 通過如下方式來調(diào)整隸屬度函數(shù)參數(shù) 「 ^ κη (1 〇E cnet) 2(χΓαη)
[0081] AC ~τ-- = -η?：--- ?',/ (浙"；σ;丨 「 η Λ cE cE cnet) 2(xrcij)
[0082] Ασ = -η -- = -η -~= --- c.ixt, 〇nen ασ^ σ"
[0083] 其中：高斯型隸屬函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為和〇 u ;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)矩陣為 -t；
[0084] 模糊輸出值為
[0085] y) = f^x) i = 1.2 7 , , (x ;2-C,) _
[0086] y； = //(net：) = exp(- 1 ~ ) j = 1,2……n ' (σ^Γ N
[0087] y\ =net\ =1^^- J=1
[0088] 其中：輪廓補(bǔ)償裝置的輸入為X,1 ; %為模糊控制的輸出；
[0089] 步驟3-4 :由模糊輸出和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)矩陣相乘，可以得到輪廓誤差補(bǔ)償裝 置的位置補(bǔ)償信號(hào) JV
[0090] UFNN = v04 - · yl =YJw4k0· y3k o = l M
[0091] 圖3為所發(fā)明模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償方法的結(jié)構(gòu)示意圖，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)選擇為3層RBF前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)點(diǎn)是速度快不存在局部極小問題；模糊控制含有輸 入層、隸屬度函數(shù)層、規(guī)則層以及輸出層，隸屬度函數(shù)為了和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層作用函數(shù)結(jié)構(gòu) 匹配選擇為高斯型，規(guī)則層為乘積推理；且其中兄 1，772，八3，凡4分別代表每層的輸出值。
[0092] 本發(fā)明方法中系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。軟件的主程序包括系統(tǒng)初始化；開 INTUINT2中斷；允許定時(shí)器中斷；定時(shí)器中斷處理子程序。其中初始化程序包括關(guān)閉所 有中斷，DSP系統(tǒng)初始化，變量初始化，事件管理器初始化、AD初始化和正交編碼脈沖QEP初 始化。中斷服務(wù)子程序包括保護(hù)中斷子程序和T1下溢中斷服務(wù)子程序。其他部分如動(dòng)子 初始化定位，位置、速度以及電流信號(hào)的PI調(diào)節(jié)，模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償調(diào)節(jié)等都 在定時(shí)器TI下溢中斷處理子程序中執(zhí)行。
[0093] IPM保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生的保護(hù)中斷響應(yīng)屬外部中斷，INT1中斷優(yōu)先級(jí)比定時(shí)器T1的 高。IPM會(huì)在過流、過壓等異常情況自動(dòng)發(fā)出保護(hù)信號(hào)，這一信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換連接到DSP的功率 驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳PDPINTA。一旦有異常情況發(fā)生，DSP會(huì)進(jìn)入保護(hù)中斷子程序，首先禁止所 有中斷，然后封鎖PWM輸出使得電機(jī)馬上停轉(zhuǎn)，起到保護(hù)電機(jī)和IPM的作用。
[0094] 本發(fā)明控制方法最終由DSP處理器實(shí)現(xiàn)，步驟如下
[0095] 步驟1系統(tǒng)初始化
[0096] 步驟2 DSP初始化
[0097] 步驟3初始化寄存器和變量
[0098] 步驟4初始化中斷向量
[0099] 步驟5開中斷
[0100] 步驟6是否有通用定時(shí)器下溢中斷產(chǎn)生
[0101] 步驟7 TN1中斷處理子控制程序
[0102] 步驟8保護(hù)中斷處理
[0103] 步驟9結(jié)束
[0104] 其中：TN1中斷處理子控制程序按以下步驟：
[0105] 步驟1 TN1中斷子控制程序；
[0106] 步驟2保護(hù)現(xiàn)場；
[0107] 步驟3對(duì)所跟蹤軌跡進(jìn)行規(guī)劃并且確定雙直線電機(jī)的位置給定信號(hào)
[0108] 步驟4計(jì)算電機(jī)速度和運(yùn)動(dòng)方向
[0109] 步驟5采樣電流和電壓
[0110] 步驟6調(diào)用位移的PI控制器
[0111] 步驟7調(diào)用速度以及電流PI控制器
[0112] 步驟8采樣后與各軸的期望值進(jìn)行比較獲得位置偏差
[0113] 步驟9判斷是否存在輪廓誤差；是進(jìn)入步驟10,否則進(jìn)入步驟12
[0114] 步驟10調(diào)用實(shí)時(shí)輪廓誤差模型計(jì)算器
[0115] 步驟11調(diào)用實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償控制器
[0116] 步驟12采樣新電流值
[0117] 步驟13對(duì)電流采樣值進(jìn)行3/2變換
[0118] 步驟14利用旋轉(zhuǎn)的q軸計(jì)算出轉(zhuǎn)矩
[0119] 步驟15對(duì)輸出的電流進(jìn)行2/3變換
[0120] 步驟16用三角波作為載波生成PWM波形對(duì)電機(jī)相電流進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)雙直線 電機(jī)進(jìn)行輪廓控制
[0121] 步驟17中斷返回
[0122] 圖5為所發(fā)明的輪廓補(bǔ)償裝置的硬件原理圖，該裝置包括整流穩(wěn)壓單元、IPM逆變 器、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流檢測單元、位置速度檢測單元、光耦隔離 電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及故障檢測和保護(hù)電路。其中DSP包括事件管理器EVA的正交編碼 脈沖電路QEP、ADC模塊、PWM單元、Flash存儲(chǔ)器單元、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器以及Η)ΡΙΝΤ引腳 且程序存儲(chǔ)器內(nèi)還置有由軟件程序?qū)崿F(xiàn)的位置信號(hào)給定器、直線電機(jī)位置信號(hào)、速度信號(hào) 以及電流信號(hào)的PI控制器、輪廓誤差計(jì)算器、模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模輪廓補(bǔ)償器和驅(qū)動(dòng)器 裝置，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過電流、欠電壓等故障，DSP將封鎖PWM輸出信號(hào)，以保護(hù)IPM模 塊。
[0123] 圖5_(1)為所發(fā)明的硬件控制系統(tǒng)的電流檢測電路，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制 系統(tǒng)中有電流反饋環(huán)，因此需要采樣電機(jī)的電流信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中測量的是直線電機(jī)三 相電流中的兩相。本系統(tǒng)中采用CSM025PTS系列霍爾電流傳感器，它能采集的電流范圍 是-16A?+16A，輸出的電壓范圍是0?5V。因?yàn)镈SP芯片的AD模塊采樣的是電壓信號(hào)， 需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。同DSP的AD模塊輸入電壓范圍是0?3V，而采樣到得霍 爾傳感器的電壓范圍是〇?5V，需要做適當(dāng)?shù)淖儞Q，把采樣的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為合適的輸入 范圍。16通道的AD模塊需要用到其中的三個(gè)，本設(shè)計(jì)中選用的是ADCIN08和ADCIN09兩個(gè) 通道，采樣后的電壓信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為兩相的電流信號(hào)存入相應(yīng)的寄存器中，進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。 經(jīng)過霍爾傳感器檢測到得電流成比例的轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)?；魻杺鞲衅鬏敵龅碾妷盒盘?hào)不適 合AD模塊采集的電壓范圍，需要經(jīng)過放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行縮放。
[0124] 圖5_(2)為所發(fā)明的硬件控制系統(tǒng)的位置檢測電路，直線電機(jī)的位置信號(hào)的檢 測是實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)精密控制的非常重要的因素且將其微分就是速度信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用英 國RENISHAW公司的RGH24X系列光柵尺，它的分辨率為lum，最高速度可達(dá)到5m/s。把 TMS320F2812事件管理器EVA的正交編碼脈沖電路（QEP)和光柵尺進(jìn)行連接，當(dāng)事件管理 器的QEP被使能后，就能對(duì)相應(yīng)的引腳輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，來確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置信息，根 據(jù)測量的位置信息相應(yīng)的調(diào)整控制策略，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。安裝好光柵尺的直線電機(jī)在運(yùn)動(dòng) 的情況下，讀數(shù)頭輸出與位置信息有關(guān)的6路方波信號(hào)，其中它們是三對(duì)反向的RS422A方 波信號(hào)，經(jīng)過差分接收后，產(chǎn)生三路脈沖信號(hào)包括兩路正交編碼脈沖信號(hào)A和B，以及一路 參考點(diǎn)信號(hào)Z。正交編碼脈沖信號(hào)A和B用來檢測直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置信息，而Z信號(hào)用 來做直線運(yùn)動(dòng)過程中回零點(diǎn)位置的參考信號(hào)。由于光柵尺讀數(shù)頭輸出的3路脈沖信號(hào)是 5V的，而DSP的I/O 口電壓是3. 3V的，因此需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯SN74LVC4245DW來實(shí)現(xiàn)5V 到3. 3V的電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)使能DSP芯片事件管理器EVA的正交編碼脈沖電路和捕獲單元 CAP3, QEP1和QEP2分別接收A和B兩路正交脈沖，CAP3捕獲參考脈沖信號(hào)Z。
[0125] 光柵尺的讀數(shù)頭輸出的正交編碼脈沖是兩路頻率可以變化相互正交的脈沖序列。 當(dāng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光柵尺的讀數(shù)頭會(huì)產(chǎn)生正交編碼脈沖信號(hào)，分別被QEP1和QEP2接口接 收，根據(jù)A和B脈沖信號(hào)的相位差是+90°還是-90°來確定直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)可 以確定通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向，如果QEPI接收的脈沖超前QEP2接收的脈沖，那么 計(jì)數(shù)器是遞增計(jì)數(shù)，相反則遞減計(jì)數(shù)。由于DSP的正交編碼電路對(duì)輸入正交脈沖上升沿和 下降沿均進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此經(jīng)由QEP電路后輸出脈沖的頻率變?yōu)檩斎氲乃谋?，并且事件管?器會(huì)將該時(shí)鐘提供給它的通用定時(shí)器作為通用定時(shí)器的時(shí)鐘頻率。在本設(shè)計(jì)中通用定時(shí)器 TZ設(shè)置為定向增/減計(jì)數(shù)，事件管理器EVA的正交編碼脈沖電路既為它提供時(shí)鐘頻率又提 供計(jì)數(shù)方向。光柵尺的分辨率為lum，直線電機(jī)每移動(dòng)lum則通用定時(shí)器對(duì)四倍頻以后的脈 沖進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，通過前后兩次計(jì)數(shù)器中不同的計(jì)數(shù)值可以確定直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的距離，同 時(shí)有專門的寄存器存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向，也是直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。在DSP的中斷服務(wù) 子程序中可以得到直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息。
[0126] 圖5_(3)為所發(fā)明的硬件控制系統(tǒng)的直線電機(jī)控制電源電路，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電 源電路就是要得到直流電壓。首先通過一個(gè)整流橋?qū)⒔涣鬓D(zhuǎn)化為直流，然后通過濾波得到 較好的直流電存儲(chǔ)于大電容中，在將電容兩端作為直流電源的輸出口提供給功率模塊。其 中的加入一根保險(xiǎn)絲，為了防止電路電流過大，起到保護(hù)電路作用。繼電器起到的是一個(gè)智 能控制的作用，在程序中當(dāng)DSP初始化時(shí)，電各充電，初始化完成后，在程序中給K1端口發(fā) 送一個(gè)高電平，繼電器發(fā)生一個(gè)開關(guān)動(dòng)作使電容兩端直接連接電源電壓，這時(shí)候使電容兩 端的電壓達(dá)到最大，實(shí)驗(yàn)時(shí)最大可到320V，達(dá)到為電機(jī)供電要求。
[0127] 圖5_(4)為所發(fā)明的硬件控制系統(tǒng)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要 包括一個(gè)智能功率模塊，本發(fā)明選用的是IRAMS10UP60B，它適用于較大功率的電機(jī)中，它能 驅(qū)動(dòng)的電機(jī)功率范圍是400W?750W ;主要由6個(gè)IGBT構(gòu)成的三相橋式電路，控制板上DSP 芯片產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)輸入到功率模塊，控制3個(gè)橋臂的關(guān)斷，產(chǎn)生合適驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng) 直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)圖中的HIN1和LIN1分別是第一相的上下橋臂的控制信號(hào)，它們都是低電平 有效。IRAMS10UP60B的工作電壓VDD是15V，VSS為接地端，為了達(dá)到良好的去耦效果，在 這兩端加入兩個(gè)并聯(lián)的去耦電容。由于輸入的PWM波信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，而IRAMS10UP60B不 具備把數(shù)字信號(hào)和功率信號(hào)隔離的功能，因此在IRAMS10UP60B的輸入控制信號(hào)前需要加 上光禍隔離，圖中TLP113即實(shí)現(xiàn)了將輸入的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)的功能，然后輸入到 對(duì)應(yīng)橋臂的控制信號(hào)輸入端。在三相電壓的輸出端u、V、W分別加上一個(gè)2. 2uF的自舉電 容。在Itrip端口為低電平時(shí)，芯片正常工作，當(dāng)橋臂的上部分輸入的控制信號(hào)為低電平， 下部分是高電平的時(shí)候該相有輸出電壓；當(dāng)上為高電平，下為低電平的時(shí)候輸出電壓為零； 兩個(gè)都為低電平的情況是不容許出現(xiàn)的，那樣會(huì)造成短路，燒毀芯片。當(dāng)Itrip端口為高電 平時(shí)，芯片不工作，沒有電壓輸出，因此在電路中加一個(gè)下拉電阻使Itrip端口為低電平， 這樣功率模塊能正常工作。功率芯片自身有過溫和過流保護(hù)，當(dāng)電路出現(xiàn)異常時(shí)能起到自 我保護(hù)的作用。
[0128] 圖5_(5)為所發(fā)明的硬件控制系統(tǒng)的IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，IPM是把功率器件與 起控制作用的邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路和檢測電路集成或組裝在一起，主要完成驅(qū)動(dòng) 信號(hào)放大、功率放大、各種保護(hù)（包括過電流保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)）等功能， 在器件特性上具有IGBT的開關(guān)特性。本系統(tǒng)選用的IPM是三菱公司第三代智能功率模塊 PM20CSJ060。其額定參數(shù)為600V、20A，適用的電機(jī)功率為1. 5KW，開關(guān)頻率最高可達(dá)20KHz。 DSP模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)光耦隔離輸入到IPM模塊的相應(yīng)管腳。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置，其特征在于：該裝置 包括整流穩(wěn)壓單元、IPM逆變器、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流檢測單元、 位置速度檢測單元、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及故障檢測和保護(hù)電路；整流穩(wěn)壓單元 連接IPM逆變器，IPM逆變器通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路連接至雙直線電機(jī)平臺(tái)；霍爾傳感器一 方面接至IPM逆變器與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之間，霍爾傳感器另一方面通過電流檢測單元連接至 數(shù)字信號(hào)處理器DSP;位置速度檢測單元一方面通過光柵尺接至雙直線電機(jī)平臺(tái)，另一方 面接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP ;IPM逆變器通過第二個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路連接至光耦隔離電路，光 耦隔離電路一方面連接至數(shù)字信號(hào)處理器DSP，另一方面通過故障檢測和保護(hù)電路連接至 整流穩(wěn)壓單元與IPM逆變器之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊RBF網(wǎng)絡(luò)積分滑模的雙直線電機(jī)輪廓補(bǔ)償裝置，其 特征在于：數(shù)字信號(hào)處理器DSP包括事件管理器EVA的正交編碼脈沖電路QEP、ADC模塊、 PWM單元、Flash存儲(chǔ)器單元、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器以及Η)ΡΙΝΤ引腳；QEP連接位置速度檢測 單元，ADC模塊連接電流檢測單元，PWM單元和Η)ΡΙΝΤ引腳均連接至光耦隔離電路。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK203896241SQ201420081093
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月7日
【發(fā)明者】王麗梅, 左瑩瑩, 李兵, 鄭浩 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)