直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，包括基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器、第一求差電路、電流控制器、功率驅(qū)動(dòng)放大器、電流傳感器和位移傳感器；基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器包括時(shí)間最優(yōu)控制器、第二求差電路和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器。本實(shí)用新型利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和時(shí)間最優(yōu)控制器，在有效抑制系統(tǒng)參數(shù)變化、摩擦力、負(fù)載擾動(dòng)力等系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾影響的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)高速高精度點(diǎn)到點(diǎn)定位控制性能。
【專利說明】
直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，具體設(shè)及一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測 時(shí)間最優(yōu)控制器的直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，屬于直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 直線電機(jī)，又稱"電磁直線執(zhí)行器"，屬于"直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器"范疇。直線電機(jī)取消了 中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、精度和效率高等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)高速高精度點(diǎn)到 點(diǎn)定位運(yùn)動(dòng)和高精度軌跡跟蹤直線運(yùn)動(dòng)性能，在現(xiàn)代工業(yè)、民用、醫(yī)療、交通和軍事等領(lǐng)域 具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 直線電機(jī)系統(tǒng)由于缺少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的緩沖作用，因此更容易受到系統(tǒng)參數(shù)變 化、摩擦力、負(fù)載擾動(dòng)力等系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾的影響，給直線電機(jī)的高精度點(diǎn)到 點(diǎn)定位控制帶來很大的難度。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的高精度點(diǎn)到點(diǎn)定位控制，各種先進(jìn)的控制算法被用來進(jìn)行直線 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制研究，較具代表性的有重復(fù)迭代學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)魯棒控制和帶前饋的比 例積分微分控制等。其中帶前饋的比例積分微分控制具有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、參數(shù)調(diào)節(jié)方便和 不需要精確的系統(tǒng)模型等優(yōu)點(diǎn)，但其抑制和抵抗系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾的能力不 強(qiáng)，無法較好地實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)高速高精度點(diǎn)到點(diǎn)定位控制性能。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，包括基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器、第一求差電 路、電流控制器、功率驅(qū)動(dòng)放大器、電流傳感器和位移傳感器;所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間 最優(yōu)控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出 端與第一求差電路的輸入端連接，所述第一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端連 接，所述電流控制器的輸出端與功率驅(qū)動(dòng)放大器的輸入端連接，所述功率驅(qū)動(dòng)放大器的輸 出端外接直線電機(jī)，所述電流傳感器的輸入端與功率驅(qū)動(dòng)放大器的輸出端連接，所述電流 傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述位移傳感器的輸入端外接直線電機(jī)， 所述位移傳感器的輸出端與基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端連接。
[000引所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器包括時(shí)間最優(yōu)控制器、第二求差電路和擴(kuò) 張狀態(tài)觀測器;所述時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端為所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的 輸入端，所述時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出端與第二求差電路的輸入端連接，所述第二求差電路 的輸出端為所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出端，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入 端分別與第二求差電路的輸出端W及位移傳感器的輸出端連接，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸 出端分別與時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端W及第二求差電路的輸入端連接。
[0009]本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果:本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最 優(yōu)控制器的直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和時(shí)間最優(yōu)控制器，在有效抑 制系統(tǒng)參數(shù)變化、摩擦力、負(fù)載擾動(dòng)力等系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾影響的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn) 直線電機(jī)高速高精度點(diǎn)到點(diǎn)定位控制性能。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0011] 圖2是本實(shí)用新型中不同目標(biāo)位置定位性能對(duì)比圖。
[001^ 圖3是本實(shí)用新型中對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的抑制能力對(duì)比圖。
[OOK]圖4是本實(shí)用新型中對(duì)外部擾動(dòng)的抑制能力對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。W下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本 實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能W此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[001引如圖1所示，直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，包括基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器、 第一求差電路、電流控制器、功率驅(qū)動(dòng)放大器、電流傳感器和位移傳感器。
[0016] 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，基于擴(kuò)張狀態(tài) 觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，第一求差電路的輸出端與電 流控制器的輸入端連接，電流控制器的輸出端與功率驅(qū)動(dòng)放大器的輸入端連接，功率驅(qū)動(dòng) 放大器的輸出端外接直線電機(jī)，電流傳感器的輸入端與功率驅(qū)動(dòng)放大器的輸出端連接，電 流傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，位移傳感器的輸入端外接直線電機(jī)，位 移傳感器的輸出端與基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端連接。
[0017] 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器包括時(shí)間最優(yōu)控制器、第二求差電路和擴(kuò)張狀 態(tài)觀測器。
[0018] 時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端為所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端，時(shí) 間最優(yōu)控制器的輸出端與第二求差電路的輸入端連接，第二求差電路的輸出端為所述基于 擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出端，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與第二求差電路的 輸出端W及位移傳感器的輸出端連接，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸出端分別與時(shí)間最優(yōu)控制器的 輸入端W及第二求差電路的輸入端連接。
[0019] 直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置的定位方法，包括W下步驟：
[0020] 步驟1，電流傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際動(dòng)子電流i。
[0021] 步驟2,位移傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移X。
[0022] 步驟3,基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器接收直線電機(jī)的目標(biāo)位置yd和實(shí)際運(yùn) 動(dòng)位移X，輸出中間控制量U1。
[0023] 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的處理過程為，
[0024] A1)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器計(jì)算直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的估計(jì)值Z1、直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng) 速度的估計(jì)值Z2和系統(tǒng)總和擾動(dòng)的估計(jì)值Z3 ;
[0025] 具體計(jì)算公式為，
[0026]
[0027]其中，eo為zi和X之間的誤差，b為控制量增益，0日1、0日2、0日3為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器增益， 化1(6〇,0.25,5)為非線性函數(shù)，5為化1(6〇,0.25,5)中線性段的區(qū)間長度；
[002引fal(eo,0.25，S)的具體公式為，
[0029]
[0030] 其中，α為幕指數(shù)，sgn( ·)為符號(hào)函數(shù)；
[0031] A2)時(shí)間最優(yōu)控制器接收直線電機(jī)的目標(biāo)位置yd并進(jìn)行處理；
[0032] 時(shí)間最優(yōu)控制器的處理公式為，
[0036] 其中，r和ho為控制器參數(shù)，U0為時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出量；
[0037] A3)第二求差電路接收時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出量U0,計(jì)算出中間控制量m;
[0038] 計(jì)算公式為，
[0039] 山=(u〇-Z3)/b。
[0040] 步驟4,第一求差電路接收中間控制量m和實(shí)際動(dòng)子電流i，將中間控制量m和實(shí)際 動(dòng)子電流i比較后的誤差值e發(fā)送到電流控制器處理，電流控制器輸出實(shí)際電壓控制量U。
[0041] 電流控制器中的計(jì)算公式為，
[0042] u=Kpi · e
[0043] 其中，Kpi為電流控制器的參數(shù)。
[0044] 步驟5,功率驅(qū)動(dòng)放大器接收實(shí)際電壓控制量U，控制直線電機(jī)的運(yùn)行。
[0045] 在上述裝置中，數(shù)據(jù)的流向?yàn)椋弘娏鱾鞲衅饔糜诓杉本€電機(jī)的實(shí)際動(dòng)子電流i， 并傳輸至第一求差電路，位移傳感器用于采集直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移X，并傳輸至擴(kuò)張狀 態(tài)觀測器，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器利用直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移X和上一個(gè)采樣時(shí)刻計(jì)算出的中 間控制量m計(jì)算出Ξ個(gè)狀態(tài)變量，分別為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的估計(jì)值Z1、直線電機(jī)實(shí)際 運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)值Z2和系統(tǒng)總和擾動(dòng)的估計(jì)值Z3,其中Z1和Z2傳輸至?xí)r間最優(yōu)控制器，Z3傳 輸至第二求差電路，時(shí)間最優(yōu)控制器將目標(biāo)位置yd和直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的估計(jì)值Z1、直 線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)值Z2進(jìn)行計(jì)算后，輸出U0,并傳輸至第二求差電路，第二求差電 路將U0和系統(tǒng)總和擾動(dòng)的估計(jì)值Z3進(jìn)行比較計(jì)算，得出U1，并傳輸至第一求差電路，第一求 差電路將m和直線電機(jī)的實(shí)際動(dòng)子電流i進(jìn)行比較計(jì)算得出差值e，并傳輸至電流控制器， 電流控制器將m和e進(jìn)行控制計(jì)算后得出實(shí)際電壓控制量U，并傳輸至功率驅(qū)動(dòng)放大器，功 率驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，從而控制所述直線電機(jī)運(yùn)行。
[0046] 圖2反映的是當(dāng)目標(biāo)位置分別為8mm和32mm時(shí)，兩種控制器的點(diǎn)到點(diǎn)定位響應(yīng)對(duì)比 圖，運(yùn)兩種控制器分別為帶前饋比例積分微分控制器和基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制 器。從圖中可W看出，基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的定位誤差小、響應(yīng)速度快、控制 精度高，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的高速高精度點(diǎn)到點(diǎn)定位控制性能。
[0047] 圖3反映的是在系統(tǒng)參數(shù)變化下兩種控制器的點(diǎn)到點(diǎn)定位響應(yīng)對(duì)比圖，運(yùn)里系統(tǒng) 參數(shù)（即運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量）由0.25kg變?yōu)?0kg。從圖中可W看出，基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最 優(yōu)控制器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的抑制能力，并且響應(yīng)速度快，定位誤差小。
[0048] 圖4反映的是在外部擾動(dòng)作用下兩種控制器的點(diǎn)到點(diǎn)定位響應(yīng)對(duì)比圖，運(yùn)里在 0.04 -0.06秒之間給系統(tǒng)施加1 ON的作用力，模擬突變的外部擾動(dòng)作用。從圖中可W看出，基 于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置對(duì)外部擾動(dòng)同樣具有很強(qiáng)的 抑制能力，同時(shí)響應(yīng)速度快，定位誤差小。
[0049] 本實(shí)用新型中擴(kuò)張狀態(tài)觀測器用來估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)等不確定因素， 并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償;時(shí)間最優(yōu)控制器W最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)定位控制。采用基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí) 間最優(yōu)控制器能有效抑制了系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)直線電 機(jī)高速高精度點(diǎn)到點(diǎn)定位控制性能。
[0050] W上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和變形，運(yùn)些改 進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，其特征在于:包括基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器、第 一求差電路、電流控制器、功率驅(qū)動(dòng)放大器、電流傳感器和位移傳感器； 所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，所述基于擴(kuò)張 狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述第一求差電路的輸 出端與電流控制器的輸入端連接，所述電流控制器的輸出端與功率驅(qū)動(dòng)放大器的輸入端連 接，所述功率驅(qū)動(dòng)放大器的輸出端外接直線電機(jī)，所述電流傳感器的輸入端與功率驅(qū)動(dòng)放 大器的輸出端連接，所述電流傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述位移傳 感器的輸入端外接直線電機(jī)，所述位移傳感器的輸出端與基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制 器的輸入端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)點(diǎn)到點(diǎn)定位裝置，其特征在于:所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀 測時(shí)間最優(yōu)控制器包括時(shí)間最優(yōu)控制器、第二求差電路和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器； 所述時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端為所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端，所 述時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出端與第二求差電路的輸入端連接，所述第二求差電路的輸出端為 所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測時(shí)間最優(yōu)控制器的輸出端，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與第 二求差電路的輸出端以及位移傳感器的輸出端連接，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸出端分別與 時(shí)間最優(yōu)控制器的輸入端以及第二求差電路的輸入端連接。
【文檔編號(hào)】H02P25/06GK205430117SQ201620150242
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】施昕昕, 黃家才, 溫秀蘭
【申請人】南京工程學(xué)院