一種數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，通過反饋信號檢測模塊、位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和電流控制環(huán)對正弦波直線電機進行控制，所述反饋信號檢測模塊包括位置檢測模塊、速度檢測模塊和電流檢測模塊；其中位置控制環(huán)采用PI反饋控制和神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制相結(jié)合的復合控制方法，速度控制環(huán)采用帶干擾觀測器的模糊控制器，電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)。本發(fā)明將神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)腎P控制技術(shù)、模糊控制以及交流電機的矢量控制結(jié)合在一起，提高了直線伺服電機的抗干擾能力、動態(tài)響應能力和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
【專利說明】一種數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高精度數(shù)控機床進給驅(qū)動用直線伺服電機的控制方法，尤其涉及一種帶有IP反饋控制和模糊控制的直線伺服電機的矢量控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]直線永磁交流伺服系統(tǒng)省掉了機械傳動機構(gòu)，將負載直接與永磁直線同步電動機PMLSM的動子相連，把控制對象與電機做成一體化結(jié)構(gòu)，消除了機械速度變換機構(gòu)所帶來的一些不良影響，如摩擦機械后沖彈性變形等，在高精度微進給伺服系統(tǒng)應用中具有非常大的優(yōu)勢。但是，由于直線電機直接與加工刀具連接，外部負載的擾動、摩擦力會直接傳給直線電機，再考慮到直線電機在工作時各種參數(shù)的變化以及控制系統(tǒng)的不確定因素的影響，這就對直線電機的控制提出了更高的要求。
[0003]由于正弦波直線永磁電機具有高功率密度以及快速、精確的高控制性能，使其成為進給驅(qū)動用直線電機的首選。對于這種電機控制方法的研究一直以來是一個熱點，例如采用魯棒控制技術(shù)來克服控制系統(tǒng)的各種擾動，但這種方法是基于精確模型參數(shù)的控制方法，而直線電機的模型具有諸多不確定性而且有些參數(shù)難以測量。有人考慮采用傳統(tǒng)的自適應控制方法，包括模型參考自適應控制、自調(diào)節(jié)控制以及滑模變結(jié)構(gòu)控制等，這類控制方法的優(yōu)點是可以擺脫對電機精確參數(shù)的依賴。智能控制技術(shù)如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等近年來已經(jīng)被研究者應用于伺服驅(qū)動控制中，并取得了理想的運動控制性能。但是目前還沒有將帶神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)腎P控制、帶干擾觀測器的模糊控制以及交流電機的矢量控制結(jié)合在一起的技術(shù)用于電機控制中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服直接進給驅(qū)動控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的在外部干擾影響下系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制精度差和動態(tài)響應能力低等問題，本發(fā)明提供一種將帶神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)腎P控制和模糊控制相結(jié)合的正弦波直線伺服電機的控制方法，該控制方法將自適應控制、模糊控制已及交流電機的矢量控制結(jié)合在一起，可有效地克服各種擾動和不確定性對控制系統(tǒng)的影響，能夠直線伺服電機的穩(wěn)定性、精確度和動態(tài)響應能力。
[0005]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，該控制方法通過反饋信號檢測模塊、位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和電流控制環(huán)對正弦波直線電機進行控制，所述反饋信號檢測模塊包括位置檢測模塊、速度檢測模塊和電流檢測模塊；具體控制方法包括以下步驟:
[0007](I)位置檢測模塊將檢測的動子實時位移信號X與給定位移信號X*進行比較，產(chǎn)生位移誤差ΛΧ，將位移誤差Λ X傳送給位置控制環(huán)，作為位置控制環(huán)的輸入信號；
[0008](2)位置控制環(huán)采用PI反饋控制和神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制相結(jié)合的復合控制方法，位移誤差Λ X經(jīng)過PI控制器后輸出給定速度信號Z ；
[0009]在PI控制器中引入神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器，通過神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器的輸出信號v?Pl和ν_對速度誤差△ V的補償，消除直線電機端部效應引起的推力對直線伺服系統(tǒng)性能的影響；所述神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器包括兩個具有相同結(jié)構(gòu)和聯(lián)結(jié)權(quán)值的組成部分，即神經(jīng)網(wǎng)絡NN1和神經(jīng)網(wǎng)絡NN2 ;所述神經(jīng)網(wǎng)絡NN2用于辨識被控對象的模型，對被控對象進行逆向建模，神經(jīng)網(wǎng)絡NN2的輸入為動子實時位移信號X以及Vcmpl+Λ V，神經(jīng)網(wǎng)絡NN2的輸出為速度信號Vempl ;所述神經(jīng)網(wǎng)絡NN1作為給定補償控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡NN1的輸入為給定位移信號X*以及Vcmpl+ Δ V,神經(jīng)網(wǎng)絡NN1的輸出為速度補償信號ν_，當被控對象變化時，神經(jīng)網(wǎng)絡NN1隨之變化；
[0010]PI控制器輸出的給定速度信號/與速度檢測模塊測量的實際速度信號V進行比較產(chǎn)生速度誤差Λ V和速度誤差變化率d Λ V，將速度誤差Λ V和速度誤差變化率d Λ V傳送給速度控制環(huán)，作為速度控制環(huán)的輸入信號；
[0011](3)速度控制環(huán)采用帶干擾觀測器的模糊控制器，首先將速度誤差△ V和速度誤差變化率d △ V使用模糊控制器進行模糊化處理，然后根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理獲得模糊推理得到的q軸電流值i/，再對i/進行去模糊化處理獲得i,’ ；同時將q軸給定電流
和實際速度信號V作為干擾觀測器的輸入信號，干擾觀測器的輸出信號經(jīng)低通濾波器后得到的補償電流對i,’進行補償，得到給定電流1:，將傳送給電流控制環(huán)，作為電流控制環(huán)的輸入信號；使用觀測模型簡單的干擾觀測器能夠消除穩(wěn)定干擾力(如負載)對直線伺服系統(tǒng)帶來的影響，使直線電機的速度可以得到很好的控制；
[0012](4)電流檢測模塊將測定的三相電流信號經(jīng)過park變換abc/dq后得到d軸實際電流id和q軸實際電流i,，將id和i,傳送給電流控制環(huán)，作為電流控制環(huán)的輸入信號；
[0013](5)電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，d軸給定電流i/和q軸給定電流G分別與d軸實際電流^和q軸實際i,進行比較后的差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出d軸電壓分量Ud和q軸電壓分量uq, Ud和Uq經(jīng)2/3坐標變換后輸出旋轉(zhuǎn)坐標系下的三相電壓，所述三相電壓經(jīng)空間矢量PWM模塊產(chǎn)生6路PWM輸出，控制逆變器輸出電流的大小，從而控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩。
[0014]優(yōu)選的，所述步驟(2)中，神經(jīng)網(wǎng)絡采用加動量的BP算法，收斂速度快。
[0015]優(yōu)選的，所述模糊控制器采用重心法，模糊控制器的輸出采用單值輸出法。
[0016]優(yōu)選的，所述電流檢測模塊包括電流互感器。
[0017]優(yōu)選的，所述位置檢測模塊包括光柵尺。
[0018]有益效果:本發(fā)明提供的數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，電流控制環(huán)采用的電壓空間矢量PWM方法可以有效降低功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應能力；速度控制環(huán)采用的帶干擾觀測器的模糊控制法在速度響應快的同時能夠消除靜態(tài)誤差；位置控制環(huán)采用的帶神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償?shù)腎P控制方法具有很強的魯棒性，可以消除PMLSM的端部效應引起的推力波動對直線伺服系統(tǒng)性能的影響，保證了伺服系統(tǒng)的定位精度；采用正弦波直線電機直接進給驅(qū)動方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的進給方式，可以大大提高伺服系統(tǒng)的速度、加速度、動態(tài)響應能力和精確度；本發(fā)明將神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)腎P控制技術(shù)、模糊控制以及交流電機的矢量控制結(jié)合在一起，提高了直線伺服電機的抗干擾能力、動態(tài)響應能力和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，特別適用于進給驅(qū)動裝置采用直線電機的高速數(shù)控機床的高精度伺服系統(tǒng)中?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的控制框圖；
[0020]圖2為模糊控制的組成部分框圖；
[0021]圖3為干擾觀測器與低通濾波器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖4為速度控制環(huán)中的隸屬函數(shù)；
[0023]圖5為神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖6為神 經(jīng)網(wǎng)絡給定補償結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0026]如圖1所示為一種數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，該控制方法通過反饋信號檢測模塊、位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和電流控制環(huán)對正弦波直線電機進行控制，所述反饋信號檢測模塊包括位置檢測模塊、速度檢測模塊和電流檢測模塊；所述電流檢測模塊采用電流互感器，所述位置檢測模塊采用光柵尺。
[0027]具體控制方法包括以下步驟:
[0028](I)位置檢測模塊將檢測的動子實時位移信號X與給定位移信號X*進行比較，產(chǎn)生位移誤差ΛΧ，將位移誤差Λ X傳送給位置控制環(huán)，作為位置控制環(huán)的輸入信號；
[0029](2)位置控制環(huán)采用PI反饋控制和神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制相結(jié)合的復合控制方法，位移誤差Λ X經(jīng)過PI控制器后輸出給定速度信號Z ；
[0030]在PI控制器中引入神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器，通過神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器的輸出信號和對速度誤差△ V的補償，消除直線電機端部效應引起的推力對直線伺服系統(tǒng)性能的影響；所述神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器包括兩個具有相同結(jié)構(gòu)和聯(lián)結(jié)權(quán)值的組成部分，即神經(jīng)網(wǎng)絡NN1和神經(jīng)網(wǎng)絡NN2 ;所述神經(jīng)網(wǎng)絡NN2用于辨識被控對象的模型，對被控對象進行逆向建模，神經(jīng)網(wǎng)絡NN2的輸入為動子實時位移信號X以及Vcmpl+Λ V，神經(jīng)網(wǎng)絡NN2的輸出為速度信號Vempl ;所述神經(jīng)網(wǎng)絡NN1作為給定補償控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡NN1的輸入為給定位移信號X*以及Vcmpl+ Δ V,神經(jīng)網(wǎng)絡NN1的輸出為速度補償信號ν_，當被控對象變化時，神經(jīng)網(wǎng)絡NN1隨之變化，這樣即可實現(xiàn)對速度誤差Λν的補償，消除直線電機端部效應引起的推力對直線伺服系統(tǒng)性能的影響；
[0031]PI控制器輸出的給定速度信號/與速度檢測模塊測量的實際速度信號V進行比較產(chǎn)生速度誤差Λ V和速度誤差變化率d Λ V，將速度誤差Λ V和速度誤差變化率d Λ V傳送給速度控制環(huán)，作為速度控制環(huán)的輸入信號；
[0032](3)速度控制環(huán)采用帶干擾觀測器的模糊控制器，同時采用Mamdani推理方法、重心法和單值輸出法；首先將速度誤差Av和速度誤差變化率dA V使用模糊控制器進行模糊化處理，然后根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理獲得模糊推理得到的q軸電流值1:’，再對1:’進行去模糊化處理獲得i,’ ；同時將q軸給定電流和實際速度信號V作為干擾觀測器的輸入信號，干擾觀測器的輸出信號經(jīng)低通濾波器后得到的補償電流對i,’進行補償，得到給定電流i/，將傳送給電流控制環(huán)，作為電流控制環(huán)的輸入信號；使用觀測模型簡單的干擾觀測器能夠消除穩(wěn)定干擾力(如負載)對直線伺服系統(tǒng)帶來的影響，使直線電機的速度可以得到很好的控制；[0033](4)電流檢測模塊將測定的三相電流信號經(jīng)過park (派克)變換abc/dq后得到d軸實際電流id和q軸實際電流i,，將id和i,傳送給電流控制環(huán)，作為電流控制環(huán)的輸入信號;
[0034](5)電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，d軸給定電流i/和q軸給定電流G分別與d軸實際電流^和q軸實際i,進行比較后的差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出d軸電壓分量Ud和q軸電壓分量uq, Ud和Uq經(jīng)2/3坐標變換后輸出旋轉(zhuǎn)坐標系下的三相電壓，所述三相電壓經(jīng)空間矢量PWM模塊產(chǎn)生6路PWM輸出，控制逆變器輸出電流的大小，從而控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩。
[0035]優(yōu)選的，所述步驟(2)中，神經(jīng)網(wǎng)絡采用加動量的BP算法，收斂速度快。
[0036]優(yōu)選的，所述電流檢測模塊包括電流互感器。
[0037]優(yōu)選的，所述位置檢測模塊包括光柵尺。
[0038]所述模糊控制器采用Mamdani推理方法、重心法和單值輸出法。
[0039]下面結(jié)合相關(guān)計算對本發(fā)明作出進一步的說明。
[0040]假設(shè)直線電機的電流為對稱的三相正弦波電流，經(jīng)過park變換abc/dq后得到d軸實際電流id和q軸實際電流i,模型為:
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，其特征在于:該控制方法通過反饋信號檢測模塊、位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和電流控制環(huán)對正弦波直線電機進行控制，所述反饋信號檢測模塊包括位置檢測模塊、速度檢測模塊和電流檢測模塊；具體控制方法包括以下步驟: (1)位置檢測模塊將檢測的動子實時位移信號X與給定位移信號X*進行比較，產(chǎn)生位移誤差ΛΧ，將位移誤差Λ X傳送給位置控制環(huán)，作為位置控制環(huán)的輸入信號； (2)位置控制環(huán)采用PI反饋控制和神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制相結(jié)合的復合控制方法，位移誤差Λ X經(jīng)過PI控制器后輸出給定速度信號Z ； 在PI控制器中引入神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器，通過神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器的輸出信號v?Pl和對速度誤差△ V的補償，消除直線電機端部效應引起的推力對直線伺服系統(tǒng)性能的影響；所述神經(jīng)網(wǎng)絡給定補償控制器包括兩個具有相同結(jié)構(gòu)和聯(lián)結(jié)權(quán)值的組成部分，即神經(jīng)網(wǎng)絡NN1和神經(jīng)網(wǎng)絡NN2 ;所述神經(jīng)網(wǎng)絡NN2用于辨識被控對象的模型，對被控對象進行逆向建模，神經(jīng)網(wǎng)絡NN2的輸入為動子實時位移信號X以及ν_+ Δ V,神經(jīng)網(wǎng)絡NN2的輸出為速度信號Vcmpl ;所述神經(jīng)網(wǎng)絡NN1作為給定補償控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡NN1的輸入為給定位移信號X*以及ν_+Λ V，神經(jīng)網(wǎng)絡NN1的輸出為速度補償信號Vcmp2，當被控對象變化時，神經(jīng)網(wǎng)絡NN1隨之變化； PI控制器輸出的給定速度信號/與速度檢測模塊測量的實際速度信號V進行比較產(chǎn)生速度誤差Λ V和速度誤差變化率d △ V，將速度誤差Λ V和速度誤差變化率d △ V傳送給速度控制環(huán)，作為速度控制環(huán)的輸入信號； (3)速度控制環(huán)采用帶干擾觀測器的模糊控制器，首先將速度誤差△V和速度誤差變化率d △ V使用模糊控制器進行模糊化處理，然后根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理獲得模糊推理得到的q軸電流值1<；’，再對i/’進行去模糊化處理獲得i,’ ；同時將q軸給定電流和實際速度信號V作為干擾觀測器的輸入信號，干擾觀測器的輸出信號經(jīng)低通濾波器后得到的補償電流對i,’進行補償，得到給定電流1:，將傳送給電流控制環(huán)，作為電流控制環(huán)的輸入信號； (4)電流檢測模塊將測定的三相電流信號經(jīng)過park變換abc/dq后得到d軸實際電流id和q軸實際電流i,，將id和i,傳送給電流控制環(huán)，作為電流控制環(huán)的輸入信號； (5)電流控制環(huán)采用帶有PI調(diào)節(jié)器的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，d軸給定電流i/和q軸給定電流分別與d軸實際電流id和q軸實際i,進行比較后的差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出d軸電壓分量Ud和q軸電壓分量uq, Ud和Uq經(jīng)2/3坐標變換后輸出旋轉(zhuǎn)坐標系下的三相電壓，所述三相電壓經(jīng)空間矢量PWM模塊產(chǎn)生6路PWM輸出，控制逆變器輸出電流的大小，從而控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，其特征在于:所述步驟(2)中，神經(jīng)網(wǎng)絡采用加動量的BP算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，其特征在于:所述模糊控制器采用重心法，模糊控制器的輸出采用單值輸出法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，其特征在于:所述電流檢測模塊包括電流互感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床驅(qū)動用直線伺服電機控制方法，其特征在于:所述位置檢 測模塊包括光柵尺。
【文檔編號】H02P25/06GK103532459SQ201310482464
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】余海濤, 張笑薇, 孟高軍, 須晨凱, 陳潔琳, 聞程 申請人:東南大學