專利名稱：基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)xy平臺(tái)輪廓加工控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)和控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于速度場(chǎng)和方向場(chǎng)的加工精度控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界各國(guó)裝備制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)提高制造能力和水平。大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑之一。同時(shí)，用高效率加工方法已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的迫切要求，在刀具等技術(shù)的配合下，出現(xiàn)了高速高精度加工的切削機(jī)床，主要是各類加工中心和各種數(shù)控機(jī)床。當(dāng)今所謂高速高精度加工機(jī)床，不僅要有很高的主軸切削速度，而且要有很高的進(jìn)給速度和加速度，同時(shí)應(yīng)當(dāng)具有亞微米級(jí)以致更高的加工精度。而XY數(shù)控平臺(tái)系統(tǒng)的精密輪廓跟蹤控制在數(shù)控機(jī)床中具有代表性，對(duì)提高數(shù)控系統(tǒng)加工精度和性能具有重要的作用。在XY平臺(tái)伺服系統(tǒng)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的間接驅(qū)動(dòng)方式，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，此時(shí)伺服系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、端部效應(yīng)和摩擦力擾動(dòng)等不確定性更為敏感，增加了電氣控制上的難度，使其伺服性能降低。隨著對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的精度和速度的要求越來(lái)越高，對(duì)伺服控制器也提出了更高的要求。提高加工速度可以縮短加工時(shí)間，提高加工效率，然而在XY平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速加工時(shí)，若跟蹤軌跡有較劇烈的變化或者輪廓軌跡上存在較大彎曲，導(dǎo)致輪廓跟蹤誤差增大，嚴(yán)重影響輪廓加工精度。因此，為了在加工精度和加工速度之間取得平衡，解決XY平臺(tái)高速度和高精度之間的矛盾，探尋實(shí)現(xiàn)XY數(shù)控平臺(tái)的高速度、高精度控制策略尤為重要。數(shù)控系統(tǒng)的輪廓加工軌跡是多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的合成結(jié)果，因此，輪廓精度的提高涉及到機(jī)床各進(jìn)給軸的動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)匹配。對(duì)于高速加工和精密加工，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)各軸間的動(dòng)態(tài)特性不同、控制系統(tǒng)參數(shù)不匹配是輪廓跟蹤誤差的主要來(lái)源，因此，對(duì)各軸間的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析是降低輪廓誤差的首要問(wèn)題。外部擾動(dòng)是產(chǎn)生輪廓跟蹤誤差的另一重要因素。在XY平臺(tái)控制系統(tǒng)中，加工部件質(zhì)量的變化較大，對(duì)系統(tǒng)性能影響也較大，所以系統(tǒng)參數(shù)也是產(chǎn)生輪廓誤差的重要因素。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，存在許多不確定性的非線性因素的影響，在單軸上，采用經(jīng)典的PID伺服控制算法很難保證所要求的設(shè)計(jì)精度。為消除這些不良影響，設(shè)計(jì)和制造更精密的機(jī)械零件將使系統(tǒng)造價(jià)昂貴；然而采用廉價(jià)計(jì)算技術(shù)，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償策略將使得應(yīng)用相對(duì)廉價(jià)的機(jī)械零件成為可能。為了消除不確定性的影響，采用了有效的控制方案。對(duì)于一般精度而言，像PID這樣的經(jīng)典線性控制策略能夠很好的滿足要求。在數(shù)控機(jī)床的輪廓加工中，一般采用常規(guī)比例(P)型或者比例微分(PD)型控制器，它對(duì)各坐標(biāo)軸的參數(shù)匹配有嚴(yán)格的限制。同時(shí)對(duì)于切削力、導(dǎo)軌非線性摩擦力、系統(tǒng)模型振動(dòng)的影響，都可能嚴(yán)重地降低了整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。但是對(duì)于需要高精度控制的情形，由于不光滑非線性的影 響，經(jīng)典的控制策略可能不再適用。隨著高精度復(fù)雜型面零件加工的不斷增加，輪廓精度已成為數(shù)控機(jī)床(CNC)系統(tǒng)的重要精度指標(biāo)。CNC系統(tǒng)的輪廓加工軌跡是多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的合成結(jié)果，因此輪廓精度的提高涉及到機(jī)床進(jìn)給軸動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)匹配，多軸軌跡運(yùn)動(dòng)控制的主要目的就是保證系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡一直維持在給定的命令軌跡上。傳統(tǒng)方法一般設(shè)計(jì)跟蹤控制器以減少系統(tǒng)跟蹤誤差，但如果兩軸當(dāng)中有一個(gè)軸的跟蹤誤差較大，系統(tǒng)的輪廓誤差也就很大，而在輪廓控制系統(tǒng)中輪廓誤差比跟蹤誤差更重要，輪廓精度較單軸位置精度而言更直接影響工件的加工精度，對(duì)于如何提高輪廓加工精度問(wèn)題，其中一些方法是以單軸的追蹤誤差做控制目標(biāo)，希望由降低單軸的跟蹤誤差來(lái)改善輪廓誤差，也就是將雙軸的輪廓控制問(wèn)題簡(jiǎn)化成各單軸的跟蹤控制問(wèn)題，期望由此降低各軸跟蹤誤差，使其多軸輪廓誤差值也隨之降低實(shí)際上，輪廓誤差并不一定相應(yīng)地降低，這是由于各軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不一致以及輸入信號(hào)不同所致，此現(xiàn)象在高速運(yùn)動(dòng)中尤其顯著。而另一些方法利用直接減小輪廓誤差的控制算法首先估算出輪廓誤差大小，然后對(duì)各個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。但對(duì)于以NURBS曲線為代表的自由軌跡輪廓加工，由于軌跡為瞬時(shí)突變的，曲率變化瞬時(shí)性較強(qiáng)，再利用傳統(tǒng)輪廓控制方法對(duì)輪廓誤差的減小效果并不明顯，且算法復(fù)雜并不實(shí)用。因此，通過(guò)建構(gòu)指令軌跡的速度場(chǎng)，將傳統(tǒng)輪廓一跟蹤控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為速度控制 問(wèn)題，簡(jiǎn)化了控制過(guò)程，但針對(duì)以NURBS曲線為代表的自由軌跡輪廓運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，速度場(chǎng)
難于建立。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工控制裝置及方法，以達(dá)到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制方式、速度誤差小，系統(tǒng)外部擾動(dòng)小、參數(shù)變化小、魯棒性能強(qiáng)，輪廓加工精度高的目的。一種基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工控制裝置，該裝置包括交流調(diào)壓?jiǎn)卧?、電壓調(diào)整電路、整流濾波單元、IPM逆變單元、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流采樣電路、位置采樣電路和IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，所述的數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)還設(shè)置有NURBS插補(bǔ)器、速度場(chǎng)控制器、IP控制器和積分器；所述的數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)部NURBS插補(bǔ)器作為產(chǎn)生XY平臺(tái)加工輪廓軌跡的指令發(fā)生器，用于產(chǎn)生XY平臺(tái)系統(tǒng)的電機(jī)動(dòng)子位置指令信號(hào)；速度場(chǎng)控制器用于將NURBS插補(bǔ)器輸出的位置指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度指令信號(hào)；IP控制器用于消除XY平臺(tái)系統(tǒng)的X、Y軸速度誤差；積分器用于將直線電機(jī)模塊輸出的實(shí)際速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為XY平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)際的電機(jī)動(dòng)子位置信號(hào)。采用基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工控制裝置進(jìn)行輪廓加工的方法，包括步驟如下步驟I :由數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)的NURBS插補(bǔ)器計(jì)算XY軸相應(yīng)的電機(jī)動(dòng)子位置坐標(biāo)，作為XY平臺(tái)控制系統(tǒng)的輸入；步驟2 :利用方向場(chǎng)控制將NURBS輸出的位置指令轉(zhuǎn)化為各軸的速度指令，并將這個(gè)速度指令信號(hào)送入XY平臺(tái)的控制系統(tǒng)；步驟3 :確定直線電機(jī)速度；步驟4 :通過(guò)光柵尺采樣電機(jī)動(dòng)子速度，在數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)比較后，執(zhí)行IP控制器；
步驟5 :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)XY平臺(tái)的X、Y兩軸直線電機(jī)按照速度指令的方向及大小進(jìn)行輪廓運(yùn)動(dòng)；整流濾波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(kāi)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。步驟2中所述的利用方向場(chǎng)控制將NURBS輸出的位置指令轉(zhuǎn)化為各軸的速度指令，包括以下步驟步驟2-1、在二維平面內(nèi)選擇一個(gè)矩形區(qū)域，選擇一個(gè)網(wǎng)格間距h及網(wǎng)格個(gè)數(shù)n，劃定這個(gè)矩形區(qū)域的網(wǎng)格。步驟2-2、求解每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的方向場(chǎng)向量，并利用方向場(chǎng)向量計(jì)算期望軌跡通過(guò)該網(wǎng)格點(diǎn)的速度V大小，其值為
權(quán)利要求
1.一種基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工控制裝置，該裝置包括交流調(diào)壓?jiǎn)卧㈦妷赫{(diào)整電路、整流濾波單元、IPM逆變單元、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流采樣電路、位置采樣電路和IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，其特征在于所述的數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)還設(shè)置有NURBS插補(bǔ)器、速度場(chǎng)控制器、IP控制器和積分器； 所述的數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)部NURBS插補(bǔ)器作為產(chǎn)生XY平臺(tái)加工輪廓軌跡的指令發(fā)生器，用于產(chǎn)生XY平臺(tái)系統(tǒng)的電機(jī)動(dòng)子位置指令信號(hào)；速度場(chǎng)控制器用于將NURBS插補(bǔ)器輸出的位置指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度指令信號(hào)；IP控制器用于消除XY平臺(tái)系統(tǒng)的X、Y軸速度誤差；積分器用于將直線電機(jī)模塊輸出的實(shí)際速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為XY平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)際的電機(jī)動(dòng)子位置信號(hào)。
2.采用權(quán)利要求I所述的基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工控制裝置進(jìn)行輪廓加工的方法，其特征在于包括步驟如下 步驟I :由數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)的NURBS插補(bǔ)器計(jì)算XY軸相應(yīng)的電機(jī)動(dòng)子位置坐標(biāo)，作為XY平臺(tái)控制系統(tǒng)的輸入； 步驟2 :利用方向場(chǎng)控制將NURBS輸出的位置指令轉(zhuǎn)化為各軸的速度指令，并將這個(gè)速度指令信號(hào)送入XY平臺(tái)的控制系統(tǒng)； 步驟3 :確定直線電機(jī)速度； 步驟4 :通過(guò)光柵尺采樣電機(jī)動(dòng)子速度，在數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)比較后，執(zhí)行IP控制器； 步驟5 :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)XY平臺(tái)的X、Y兩軸直線電機(jī)按照速度指令的方向及大小進(jìn)行輪廓運(yùn)動(dòng)； 整流濾波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(kāi)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工控制裝置進(jìn)行輪廓加工的方法，其特征在于步驟2中所述的利用方向場(chǎng)控制將NURBS輸出的位置指令轉(zhuǎn)化為各軸的速度指令，包括以下步驟 步驟2-1、在二維平面內(nèi)選擇一個(gè)矩形區(qū)域，選擇一個(gè)網(wǎng)格間距h及網(wǎng)格個(gè)數(shù)n，劃定這個(gè)矩形區(qū)域的網(wǎng)格； 步驟2-2、求解每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的方向場(chǎng)向量，并利用方向場(chǎng)向量計(jì)算期望軌跡通過(guò)該網(wǎng)格點(diǎn)的速度V大小，其值為V = 4(dxldtf +{dyldtf其中V為該網(wǎng)格點(diǎn)的速度； X為Y軸上的量； y為Y軸上的量； t為時(shí)間； 步驟2-3、當(dāng)軌跡不在網(wǎng)格點(diǎn)上時(shí)，其速度可以利用特殊插值方法通過(guò)相鄰網(wǎng)格點(diǎn)的速度進(jìn)行確定 ①當(dāng)軌跡通過(guò)兩個(gè)相鄰網(wǎng)格點(diǎn)中間時(shí)，可以利用相鄰兩個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的速度V1與V2，按照下式計(jì)算
全文摘要
本發(fā)明一種基于方向場(chǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工控制裝置及方法，該裝置包括交流調(diào)壓?jiǎn)卧㈦妷赫{(diào)整電路、整流濾波單元、IPM逆變單元、數(shù)字信號(hào)處理器DSP、霍爾傳感器、光柵尺、電流采樣電路、位置采樣電路和IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，所述的數(shù)字信號(hào)處理器DSP內(nèi)還設(shè)置有NURBS插補(bǔ)器、速度場(chǎng)控制器、IP控制器和積分器；本發(fā)明采用基于方向場(chǎng)理論的速度場(chǎng)控制器，使得給定軌跡路徑完全轉(zhuǎn)換為由速度場(chǎng)編碼的軌跡，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制方式；基于速度前饋的IP控制減小速度誤差，減小了系統(tǒng)外部擾動(dòng)和參數(shù)變化等不確定因素，從而保證了系統(tǒng)的強(qiáng)魯棒性能，提高輪廓加工精度。
文檔編號(hào)G05B19/19GK102707666SQ20121022247
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者孫益標(biāo), 李兵, 王麗梅, 趙希梅 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)