永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)二階終端滑?？刂葡到y(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)二階終端滑 ?？刂葡到y(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信對(duì)控制對(duì)象的機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是W 數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床與早期的數(shù)控機(jī)床最根本的區(qū)別在于其加工速度和加工精度發(fā)生了巨大變 化，分別提高了近千倍。由于高速度、高精度加工技術(shù)能極大地提高加工速率、提高產(chǎn)品的 質(zhì)量和檔次、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因而，W高速切削、高速進(jìn)給和高加工精度為主要特征的高 速切削技術(shù)已成為現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。
[0003] 長(zhǎng)期W來(lái)，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)主要是"旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠"，該種伺服形式結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，且存在傳動(dòng)間隙及彈性變形等造成運(yùn)動(dòng)滯后和其它非線性誤差等一系列問(wèn)題，難 W獲得很高的加速度和定位精度。采用PMLSM的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在一定程度上解決了上述問(wèn) 題，它消除了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所帶來(lái)的不良影響，在高精度、高速響應(yīng)、微進(jìn)給伺服系統(tǒng)應(yīng)用 中具有非常大的優(yōu)勢(shì)。但是，由于直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，系統(tǒng)的參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等 不確定因素將毫無(wú)衰減地直接反映到直線電機(jī)的動(dòng)子上，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和參數(shù)變化都 很敏感，所W要求系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯椿性，該對(duì)直線電機(jī)控制器提出了更高的要求。
[0004] 學(xué)者們提出了一些控制方法，如采用魯椿控制理論設(shè)計(jì)控制器，可使系統(tǒng)具有很 好的魯椿性，但具有一定的保守性；采用自適應(yīng)控制理論設(shè)計(jì)控制器，可W有效克服參數(shù)變 化對(duì)系統(tǒng)的影響，但在參數(shù)變化較快、外部干擾頻率高的情況下則效果不佳。采用滑模變結(jié) 構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)控制器，具有魯椿性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，然而由于其控制作用的不連續(xù)性 會(huì)導(dǎo)致抖振現(xiàn)象。采用終端滑?？刂评碚撛O(shè)計(jì)控制器，改善了系統(tǒng)的收斂特性，但存在奇異 性問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的
[0006] 針對(duì)現(xiàn)有控制技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng) 二階終端滑?？刂葡到y(tǒng)及方法，將二階滑?？刂啤⒔K端滑?？刂婆c自適應(yīng)控制方案相結(jié)合， 最終實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)的魯椿性。
[0007] 技術(shù)方案
[000引一種永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)二階終端滑?？刂葡到y(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包 括主電路、控制電路和控制對(duì)象S部分；控制電路包括DSP、位置和速度檢測(cè)電路、電流檢 測(cè)電路、光禪隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路及故障檢測(cè)和保護(hù)電路；DSP的犯P端口連接位置和速度 檢測(cè)電路，DSP的ADC端口連接電流檢測(cè)電路，DSP的PWM端口和PDPINT端口連接光禪隔離 電路，光禪隔離電路連接驅(qū)動(dòng)電路和故障檢測(cè)和保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電路連接主電路；主電路包 括調(diào)壓電路、整流濾波單元和IPM逆變單元；控制對(duì)象為S相永磁直線同步電機(jī)，機(jī)身裝有 光柵尺；調(diào)壓電路連接整流濾波單元，整流濾波單元連接IPM逆變單元，IPM逆變單元連接 S相永磁直線同步電機(jī)。
[0009] DSP的SCI端口連接上位機(jī)，DSP的SPI端口連接顯示電路，DSP的GPIO端口連接 I/O接口電路；故障檢測(cè)和保護(hù)電路連接控制電源。
[0010] 一種如上所述的永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)二階終端滑?？刂葡到y(tǒng)的控制方法， 其特征在于；根據(jù)永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)給定速度信號(hào)和反饋速度信號(hào)相減得到誤差 量，W該個(gè)誤差量設(shè)計(jì)終端滑模面并且W二階滑?？刂频某菪惴ㄗ鳛樗俣瓤刂破鞯妮?入，并且引入自適應(yīng)控制對(duì)超螺旋算法的控制增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
[0011] 選取終端滑模面；
[001引系統(tǒng)跟蹤誤差為e= /-V，其中，/為V的給定值；
[0013] 系統(tǒng)的終端滑模變量為：
[0014]
[00巧]其中，VGr，P，q為奇數(shù)，要求1 <p/q< 2來(lái)滿足滑模面的非奇異性。
[0016] 采用自適應(yīng)控制對(duì)超螺旋算法的控制增益0進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)的滑模變量 曰及其一階導(dǎo)數(shù)d在有限時(shí)間內(nèi)收斂為零；
[0017] 具體算法如下；
[001 引
[0019] 超螺旋控制算法使系統(tǒng)狀態(tài)軌跡在有限時(shí)間內(nèi)收斂到滑模面的充分條件為：
[0020]
[0021] 定義超螺旋算法的控制增益0的自適應(yīng)律為：
[0022]
[0023] 其中，丫 > 0,k> 0，e> 0。
[0024] 控制方法調(diào)用數(shù)字信號(hào)處理器中的程序?qū)崿F(xiàn)，控制程序步驟如下：
[0025] 步驟1系統(tǒng)初始化；
[0026] 步驟2允許TN1、TN2中斷；
[0027] 步驟3啟動(dòng)T1下溢中斷；
[002引步驟4程序數(shù)據(jù)初始化；
[0029] 步驟5開總中斷；
[0030] 步驟6中斷等待；
[0031] 步驟7TN1中斷處理子控制程序；
[0032] 步驟8結(jié)束；
[0033] 上述TN1中斷處理子控制程序步驟如下：
[0034] 步驟1 T1中斷子控制程序；
[00對(duì)步驟2保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；
[0036] 步驟3判斷是否已給定速度信號(hào)；是進(jìn)入步驟4,否則進(jìn)入步驟10;
[0037] 步驟4電流采樣，化A服變換，PA服變換；
[003引步驟5判斷是否需要速度調(diào)節(jié)；否則進(jìn)入步驟7 ;
[0039] 步驟6速度調(diào)節(jié)中斷處理子控制程序；
[0040] 步驟7 dq軸電流調(diào)節(jié)；
[0041] 步驟8 PA服逆變換；
[00創(chuàng)步驟9計(jì)算CMPPx及PWM輸出；
[0043] 步驟10位置、速度采樣；
[0044] 步驟11初始速度程序；
[0045] 步驟12恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)；
[0046] 步驟13中斷返回。
[0047] 上述步驟6所述的速度調(diào)節(jié)中斷處理子控制程序步驟如下：
[0048] 步驟1速度調(diào)節(jié)中斷子控制程序；
[0049] 步驟2讀取編碼器值；
[0050] 步驟3判斷角度；
[0化1] 步驟4計(jì)算位置和速度；
[0化2] 步驟5執(zhí)行速度控制器；
[0化3]步驟6計(jì)算電流命令并輸出；
[0054]步驟7中斷返回。
[005引優(yōu)點(diǎn)及效果
[0化6] 本發(fā)明是一種永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)二階終端滑?？刂葡到y(tǒng)及方法，具有W 下優(yōu)點(diǎn)：
[0057] 針對(duì)永磁直線同步電機(jī)（PMLSM)伺服系統(tǒng)，本發(fā)明提出一種永磁直線同步電機(jī)的 自適應(yīng)二階終端滑?？刂葡到y(tǒng)及方法。此控制方法在設(shè)計(jì)上解決了原有終端滑?？刂拼嬖?奇異性的問(wèn)題。利用二階滑模的超螺旋控制律，將系統(tǒng)的不連續(xù)控制作用在滑模變量的高 階微分上，從而削弱了系統(tǒng)抖振。引入自適應(yīng)控制對(duì)超螺旋算法的控制增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)， W克服控制增益需不確定性的界來(lái)確定的局限性，進(jìn)而提高系統(tǒng)的控制性能，最終實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明的目的即提高系統(tǒng)的魯椿性，削弱系統(tǒng)的抖振。
【附圖說(shuō)明】
[0化引圖1為本發(fā)明自適應(yīng)二階終端滑?？刂破飨到y(tǒng)框圖。
[0化9]圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的硬件控制系統(tǒng)原理圖。
[0060] 圖3(a)電機(jī)控制系統(tǒng)主電路原理圖。
[0061] 圖3(b) A、B相電流采樣電路原理圖。
[0062] 圖3(c)光柵尺信號(hào)采樣電路原理圖。
[0063] 圖3(d)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
[0064] 圖4控制系統(tǒng)程序。
[00化]圖5T1中斷處理子控制程序流程圖。
[0066] 圖6速度調(diào)節(jié)中斷處理子控制程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0067] 針對(duì)永磁直線同步電機(jī)（PMLSM)伺服系統(tǒng)易受參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)等不確定因 素影響，本發(fā)明提供了一種永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)二階終端滑?？刂葡到y(tǒng)和方法，將 二階滑模控制、終端滑?？刂婆c自適應(yīng)控制方案相結(jié)合，根據(jù)永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng) 給定速度信號(hào)和反饋速度信號(hào)相比較得到誤差量，W該個(gè)誤差量設(shè)計(jì)終端滑模面，避免奇 異性問(wèn)題。W二階滑?？刂频某菪惴ㄗ鳛樗俣瓤刂破鞯妮斎?，并且引入自適應(yīng)控制對(duì) 超螺旋算法的控制增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)，提 高系統(tǒng)的魯椿性。
[0068] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：
[0069] 圖1為永磁直線同步電機(jī)的自適應(yīng)二階終端滑模控制系統(tǒng)的原理框圖，其中/為 系統(tǒng)速度的給定值，0為與系統(tǒng)誤差有關(guān)的滑模切換面^^為負(fù)載阻力，系統(tǒng)跟蹤誤差為6 =V*-V〇
[0070] 系統(tǒng)的終端滑模變量為
[0071] 其中，VGR+，P，q為奇數(shù)，要求1 <p/q< 2來(lái)滿足滑模面的非奇異性。
[0072] 采用自適應(yīng)控制對(duì)超螺旋算法的控制增益0進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)的滑模變量 曰及其一階導(dǎo)數(shù)d在有限時(shí)間內(nèi)收斂為零；
[007引具體算法如下：
[0074]
[0075] 超螺旋控制算法使系統(tǒng)狀態(tài)軌跡在有限時(shí)間內(nèi)收斂到滑模面的充分條件為：
[0076]
[0077] 定義超螺旋算法的控制增益0的自適應(yīng)律為；
[007引
[0079] 其中，丫 > 0,k> 0，e> 0。
[0080] 圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的硬件控制系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)包括主電路、控制電路和控制 對(duì)象S部分；控制電路包括DSP、位置和速度檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、光禪隔離電路、驅(qū)動(dòng) 電路及故障檢測(cè)和保護(hù)電路；DSP的犯P端口連接位置和速度檢測(cè)電路，DSP的ADC端口連 接電流檢測(cè)電路，DSP的PWM端口和PDPINT端口連接光禪隔離電路，光禪隔離電路連接驅(qū) 動(dòng)電路和故障檢測(cè)和保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電路連接主電路；主電路包括調(diào)壓電路、整流濾波單元 和IPM逆變單元；控制對(duì)象為=相永磁直線同步電機(jī)，機(jī)身裝有光柵尺；調(diào)壓電路連接整流 濾波單元，整流濾波單元連接IPM逆變單元，IPM逆變單元連接S相永