基于交叉耦合算法的双直线电机协同控制系统研究

摘要

近年来，直线电机因其结构简单、定位精度高、且无中间传动装置，所以在各种高精密加工场所的应用也越来越广泛。在加工零件的过程中，很多时候都需要多台电机的协同配合才能完成，同时多直线电机的协同运行也提高了工业加工的效率，因此，越来越多的人着手于多直线电机协同控制问题的研究。但是，直线电机的结构比较特殊，无中间传动结构，外部扰动直接作用在了直线电机的动子上，且多个电机之间存在着耦合关系，影响了同步控制的效果，降低了产品的加工质量和制作精度。所以改善多直线电机协同控制伺服系统的性能，减小多直线电机的同步控制误差具有重要的现实意义。
　　本文的主要研究对象是具有H型结构（如激光雕刻机、龙门移动式镗铣床）的双永磁同步直线电机(PMSLM)协同控制系统，文章首先阐述了双直线电机同步控制所存在的问题，然后提出了解决这些问题所采用的方法。目前，提高双PMSLM同步控制精度以及速度的办法很多，一般包括以下几个方面:优化PMSLM的结构参数、研制新型的永磁材料、改善已有的控制算法或者研究新型的控制算法等。本文主要从控制算法上进行了研究和改进。双PMSLM同步控制存在的问题主要有两个:一、如何实现单直线电机的跟随性能以及抗扰动性能同时最优;二、如何实现双PMSLM位置及速度的同步控制。
　　首先，单PMSLM伺服控制系统性能的好坏直接决定着多PMSLM的位置同步精度，但是传统的PID控制算法不能兼顾系统跟随性能和抗干扰性能，所以本文采用了二自由度PID控制算法，并罗列了2DOF PID控制器的几种典型结构。因为设定值前馈型2DOF PID控制算法的参数较少，实现较为容易，所以本文采用了此种控制算法。同时结合了具有学习能力以及在线整定能力的模糊控制算法，设计了一种设定值前馈型Fuzzy2DOF PID控制器，应用在直线电机的位置环中，不仅实现了PID参数的在线整定功能，而且使得电机的跟随性能和抗干扰性能均达到最优。随后在Matlab环境下将基于该算法的矢量控制模型和基于传统PID控制算法的矢量控制模型进行了仿真实验对比，结果验证了此算法的鲁棒性较强，且其跟随性和抗干扰能力也很好，满足设计要求。
　　其次，通过分析可知，相比于并联式同步控制、主从式同步控制及虚拟主轴等几种控制算法，交叉耦合控制算法在双直线电机同步控制上具有更好的动态响应和调节能力，因此本文设计了一种新型的交叉耦合控制器，将两PMSLM的速度误差和位置误差作为交叉耦合控制器的输入信号，经过交叉耦合控制器处理后的输出信号再补偿给两PMSLM的位置给定，最终实现两PMSLM速度和位置的绝对同步。然后进行了仿真实验验证，从仿真曲线可以看出此控制算法下的两直线电机的速度误差以及位置误差都很小，系统的同步控制性能也有了很大的提高。
　　最后，以AD5435半实物仿真机为实验平台，设计了双永磁同步直线电机的软、硬件控制系统，然后将双PMSLM同步控制算法移植到该系统之中，对其实际运行情况进行了测试，实验结果表明该伺服控制系统的跟随性能好，鲁棒性强，即使某一台电机受到扰动，系统也能在较短的时间内恢复到稳定状态（也即两PMSLM的位置同步状态）。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 课题的背景和研究意义

1．2 双永磁同步直线电机伺服控制系统的介绍

1．2．1 双PMSLM伺服控制系统的研究现状

1．2．2 双PMSLM控制算法的介绍

1．2．3 双PMSLM伺服控制系统存在的问题及解决方案

1．3 本文的主要研究内容

第二章 永磁同步直线电机单轴伺服系统二自由度控制研究

2．1 常规的PID控制分析

2．1．1 PMSLM的结构及工作原理

2．1．2 PMSLM在d-q坐标下的数学模型

2．1．3 PMSLM的控制策略分析

2．1．4 基于常规PID控制系统的建模

2．2 二自由度PID控制器的研究

2．2．1 二自由度Pm控制器的原理分析

2．2．2 二自由度控制器的结构分析

2．2．3 设定值前馈型二自由度PID控制器的设计

2．3 基于设定值前馈型2DOF PID控制器的仿真控制模型

2．4 本章小结

第三章 基于模糊二自由度PID算法的单PSMLM控制系统研究

3．1 模糊控制算法的原理

3．1．1 模糊控制算法的优缺点

3．1．2 模糊PID控制器典型结构的介绍

3．1．3 模糊控制算法的规则设计

3．2 设定值前馈型模糊二自由度PID控制器的设计

3．2．1 设定制前馈性模糊二自由度PID控制器的仿真模型

3．2．2 设定值前馈型模糊二自由度PID控制器的性能分析

3．3 仿真控制研究

3．3．1 单PMSLM控制系统仿真模型

3．3．2 基于模糊二自由度PID与传统PID的单PMSLM控制系统的实验对比

3．4 本章小结

第四章 基于交叉耦合算法的双直线电机同步控制研究

4．1 双直线电机同步控制类型分析

4．2 基于交叉耦合的双PMSLM同步控制器的设计

4．2．1 双PMSLM不同步因素分析及解决方式

4．2．2 双PMSLM伺服系统数学模型分析

4．2．3 改进的交叉耦合控制器的设计

4．3 仿真控制研究

4．4 本章小结

第五章 基于交叉耦合算法的双PMSLM同步控制系统实验分析

5．1 半实物仿真技术介绍

5．2 基于半实物仿真平台的双直线电机同步控制系统搭建

5．3 实验研究

5．3．1 单轴伺服系统的性能测试

5．3．2 双PMSLM交叉耦合式模糊PID与常规并联式协同控制的对比

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文