直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置及方法，具體涉及一種基于分?jǐn)?shù)階自 抗擾控制器的直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置及方法，屬于直線電機(jī)運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 直線電機(jī)與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，取消了中間傳動環(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)高速或低速、高精度等高性能直線運(yùn)動，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] 但也正是由于缺少中間傳動環(huán)節(jié)的緩沖作用，直線電機(jī)更容易受到系統(tǒng)參數(shù)變 化、摩擦力和負(fù)載擾動力等因素影響，尤其是系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾，給直線電機(jī)的 精密軌跡跟蹤控制增加很大的難度。
[0004] 近年來，越來越多的先進(jìn)控制算法被引入到直線電機(jī)的運(yùn)動控制研究中，來獲得 良好的控制性能，如迭代學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)魯棒控制和自抗擾控制等，其中自抗擾控制以其 實(shí)用性強(qiáng)、魯棒性好和不依賴精確的系統(tǒng)模型等優(yōu)點(diǎn)引起越來越多研究人員的重視。但現(xiàn) 有技術(shù)中，普通自抗擾控制器的最大優(yōu)勢只在于抵抗系統(tǒng)擾動能力強(qiáng)，而軌跡跟蹤控制精 度不高，無法較好地實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)精密軌跡跟蹤控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了 一種直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置及方法。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，包括分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器、第一求差電路、電流控制 器、功率驅(qū)動放大器、電流傳感器和位移傳感器;所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述 裝置的輸入端，所述分?jǐn)?shù)階自抗擾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)動放 大器的輸入端連接，所述功率驅(qū)動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分?jǐn)?shù)階自抗擾控 制器的輸入端連接。
[0008] 所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分 數(shù)階控制器、求和電路和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器;所述第二求差電路的輸入端為所述分?jǐn)?shù)階自抗 擾控制器的輸入端，所述第二求差電路的輸出端與分?jǐn)?shù)階控制器的輸入端連接，所述分?jǐn)?shù) 階控制器的輸出端與求和電路的輸入端連接，所述求和電路的輸出端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾 控制器的輸出端，所述加速度前饋電路的輸入端與第二求差電路的輸入端連接，所述加速 度前饋電路的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第三求差電路的輸出端與求和電 路的輸入端連接，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與求和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)觀測器的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第二求 差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出端連接。
[0009] 直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置的跟蹤方法，包括以下步驟，
[0010] 步驟1，電流傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際動子電流i ;
[0011] 步驟2,位移傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動位移X;
[0012] 步驟3,分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡Xd和實(shí)際運(yùn)動位 移X，輸出中間控制量U1;
[0013] 步驟4,第一求差電路接收中間控制量m和實(shí)際動子電流i，將中間控制量m和實(shí)際 動子電流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;
[0014] 步驟5,功率驅(qū)動放大器接收實(shí)際電壓控制量u，控制直線電機(jī)的運(yùn)行。
[0015] 分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器中的處理過程為，
[0016] A1)加速度前饋電路接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡Xd并進(jìn)行處理；
[0017]加速度前饋電路的處理公式為，
[0019] 其中，的二階導(dǎo)數(shù)，即加速度前饋電路的輸出量，d為微分算子，t為時間；
[0020] A2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器計(jì)算系統(tǒng)總和擾動的估計(jì)值Z3;
[0021] 具體計(jì)算公式為，
[0023] 其中，Z1為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動位移的估計(jì)值，Z2為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動速度的估計(jì) 值，eo為zi和X之間的誤差，b為控制量增益，β〇ι、β〇2、β()3為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器增益，fal(eo, 0.25,3)為非線性函數(shù)，3為&1(創(chuàng)，0.25,3)中線性段的區(qū)間長度；
[0024] fal(eo,0.25j)的具體公式為，
[0026] 其中，α為冪指數(shù)，sgn( ·)為符號函數(shù)；
[0027] A3)分?jǐn)?shù)階控制器進(jìn)行分?jǐn)?shù)階控制輸出；
[0028]具體計(jì)算公式為，
[0029] u〇i = KP(l+Kdsu) · ei
[0030] 其中，UQ1為分?jǐn)?shù)階控制器的輸出，KP、Kd為分?jǐn)?shù)階控制器參數(shù)，s為拉普拉斯算子，μ 是取值為〇到1之間的實(shí)數(shù)，eiSxd和X之間的誤差，即第二求差電路的輸出，也是分?jǐn)?shù)階控制 器的輸入；
[0031 ] A4)第三求差電路接收加速度前饋電路的輸出量毛，計(jì)算輸出控制量u〇2，求和電 路根據(jù)UQ1和UQ2計(jì)算出中間控制量U1;
[0032]計(jì)算公式為，
[0034] ui = u〇i+u〇2〇
[0035] 電流控制器中的處理公式為，
[0036] u=KPi · e
[0037] 其中，e為m和i之間的誤差，Kpi為電流控制器參數(shù)。
[0038] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:本發(fā)明在普通自抗擾控制器的基礎(chǔ)上引入加速度前饋 電路和分?jǐn)?shù)階控制器，形成分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器，與普通自抗擾控制器相比，分?jǐn)?shù)階自抗擾 控制器能有效抑制系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對系統(tǒng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)精密軌 跡跟蹤控制性能。
【附圖說明】
[0039]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0040]圖2是本發(fā)明中不同正弦軌跡跟蹤誤差對比圖。
[0041 ]圖3是本發(fā)明中對系統(tǒng)參數(shù)攝動的抑制能力對比圖。
[0042] 圖4是本發(fā)明中對外部擾動的抑制能力對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0044] 如圖1所示，直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置，包括分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器、第一求差電 路、電流控制器、功率驅(qū)動放大器、電流傳感器和位移傳感器。
[0045] 分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸出 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)動放大器的輸入端連接，功率驅(qū)動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分?jǐn)?shù)階 自抗擾控制器的輸入端連接。
[0046] 分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分?jǐn)?shù)階 控制器、求和電路和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器。
[0047] 第二求差電路的輸入端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸入端，第二求差電路的輸 出端與分?jǐn)?shù)階控制器的輸入端連接，分?jǐn)?shù)階控制器的輸出端與求和電路的輸入端連接，求 和電路的輸出端為所述分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器的輸出端，加速度前饋電路的輸入端與第二求 差電路的輸入端連接，加速度前饋電路的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，第三求差 電路的輸出端與求和電路的輸入端連接，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與求和電路的輸出 端以及位移傳感器的輸出端連接，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸出端與第三求差電路的輸入端連 接，第二求差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出端連接。
[0048] 直線電機(jī)精密軌跡跟蹤裝置的跟蹤方法，包括以下步驟：
[0049] 步驟1，電流傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際動子電流i。
[0050]步驟2,位移傳感器采集直線電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動位移x。
[0051 ]步驟3，分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡Xd和實(shí)際運(yùn)動位 移X，輸出中間控制量U1。
[0052]分?jǐn)?shù)階自抗擾控制器中的處理過程為，
[0053] A1)加速度前饋電路接收被跟蹤的直線電機(jī)的目標(biāo)軌跡Xd并進(jìn)行處理；
[0054]加速度前饋電路的處理公式為，
[0056] 其中，·Sxd的二階導(dǎo)數(shù)，即加速度前饋電路的輸出量，d為微分算子，t為時間；
[0057] A2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器計(jì)算系統(tǒng)總和擾動的估計(jì)值Z3;
[0058]具體計(jì)算公式為，
[0000]其中，Z1為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動位移的估計(jì)值，Z2為直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)動速度的估計(jì) 值，eo為zi和X之間的誤差，b為控制量增益，β〇ι、β〇2、β()3為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器增益，fal(eo, 0.25,3)為