本发明专利技术公开了一种高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法及装置，本发明专利技术控制方法采用模糊滑模控制器，在趋近运动段采用指数趋近律，在滑模运动段采用模糊控制实现滑模的切换控制，使系统具有较好的鲁棒性和抗干扰能力，减小系统运行速度的抖振现象，加快系统的响应速度；本发明专利技术控制装置包括DSP数字信号处理器单元、A/D模块、整流滤波模块、直线电机、IPM智能功率模块、编码器、传感器、电流检测模块、光电隔离模块和故障检测模块等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电机控制领域，尤其涉及一种应用于高精数控机床上的控制直线伺服系统运行速度的方法及其装置。
技术介绍
随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，对现代机床各项性能提出了越来越高的要求，因而传统的进给系统，诸如“旋转伺服电机+滚珠丝杠”技术已难以满足高精度数控机床对最大进给速度和定位精度的要求。直线电机因其无需中间机械变换装置即可产生直线机械运动的优点，而被广泛地应用于各种直线运动的场合，尤其是以高效率和高精度为基本特征的高速加工领域。但是，直线电机特有的这种传动方式会使系统参数的变化及各种不确定扰动直接作用在直线电机上，大大增加系统的控制难度，影响到系统性能。因此，对直线伺服系统控制策略的研究显得尤为重要。目前对直线伺服系统采取的控制策略主要包括：传统控制方法、现代控制方法和智能控制方法。但是在现代工业的实际应用中，无论是以PID控制为代表的传统控制策略，还是鲁棒控制、自适应控制、H∞等现代控制策略，或者是单纯的智能控制策略都存在一些问题，例如：推力波动大、精度不够高、鲁棒性差等，均难以达到理想的控制效果，不能满足高性能直线伺服系统的要求。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的不足，本专利技术提供一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法及装置，能够明显减小推力波动、加快系统响应速度、增强系统的鲁棒性。本专利技术的技术方案之一是：一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的装置，该装置包括整流滤波模块、IPM智能功率模块、直线电机(PMLSM)、DSP数字信号处理器单元、A/D模块、故障检测保护模块、光电隔离模块、电流检测模块、编码器、传感器、键盘显示。所述DSP数字信号处理器单元包括：存储器、时钟、振荡器和锁相环、看门狗模块、CPU定时、通用输入/输出口(GPIO)，外围中断扩展PIE、通用定时器、比较单元、PWM电路、正交编码脉冲QEP电路、串行通信接口、软件存储器、驱动器。所述软件存储器和驱动器用于实现PI调节控制器和模糊滑模控制器的功能，并用于给定系统磁链、给定直线电机的运动速度和位置。所述整流滤波模块连接至IPM智能功率模块，IPM智能功率模块连接至直线电机(PMLSM)，另一方面，电流检测模块采集IPM智能功率模块输出的相电流，并将采集的信号传递给DSP数字信号处理器单元中的A/D模块；所述传感器通过编码器与直线电机(PMLSM)连接，并与DSP数字信号处理器单元连接，检测直线电机的速度与位置，并将其转变为电信号传递给DSP数字信号处理器单元；所述DSP数字信号处理器单元与所述IPM智能功率模块之间连接有光电隔离模块以及故障检测保护模块，故障检测保护模块的作用主要是对整流滤波模块及IPM智能功率模块进行检测保护；DSP数字信号处理器单元还与外部的键盘显示相连接，键盘显示的作用是数据输入和显示。本专利技术的技术方案之二是：一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，所述控制方法包括以下步骤：步骤1，对直线电机的位置、速度等初始值进行设置；步骤2，DSP数字信号处理器单元对上述初始值进行循环扫描处理，执行中断程序；步骤3，在没有故障的情况下，DSP数字信号处理器单元读取电流检测模块传感器采集到的信号并进行处理，计算系统估计磁链和系统估计推力的大小；步骤4，DSP数字信号处理器单元将采集到的直线电机速度信号通过模糊滑模控制器处理，得到系统实际推力，再经过PI调节控制器的处理，得出磁链偏差角，将磁链偏差角与之前得到的系统估计磁链相加，得到预测电压矢量，并作为IPM智能功率模块的输入控制信号；步骤5，IPM智能功率模块根据上述预测电压矢量控制直线电机运行，系统进入下一个循环周期。所述一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，在趋近运动段采用指数趋近律，使系统的运行速度快速到达切换面，在滑模运动段采用模糊控制实现滑模的切换控制，可减小系统运行的抖振现象。该控制方法将模糊控制与滑模控制相结合，设计一种模糊滑模控制器，并采用电压预测的方式实现了对直线电机直接推力的控制。所述模糊滑模控制器的设计步骤如下：步骤1，确定模糊滑模控制器的输入：将直线电机的给定速度、直线电机的实际速度、直线电机的给定速度与实际速度的误差及直线电机给定速度与实际速度的误差变化率作为模糊滑模控制器的输入；步骤2，设计滑模面；步骤3，选取指数趋近律；步骤4，确定滑模切换控制量；步骤5，验证系统的稳定性；步骤6，确定模糊控制的模糊集：步骤7，设计模糊规则；步骤8，进行反模糊化；步骤9，确定输出，得出系统实际推力。所述一种用于高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，其完整的控制过程包括如下步骤：步骤1，输入直线电机初始参数及直线电机的给定速度、系统给定磁链；步骤2，对逆变器输出的电压、电流进行坐标变换，从而进行系统磁链和推力的估算，得到系统估计磁链和系统估计推力；步骤3，进行上述模糊滑模控制器的设计步骤，得出系统实际推力；步骤4，根据系统实际推力与系统估计推力得出推力偏差；步骤5：将推力偏差进行PI调节，得出磁链偏差角；步骤6：将上述磁链偏差角、系统给定磁链、系统估计磁链作为输入，进行参考电压预测，得出预测电压矢量；步骤7：通过预测电压矢量控制SVPWM(空间矢量脉宽调制)，从而控制逆变器；步骤8：逆变器输出的电压控制直线电机的运动，然后进入下一个控制周期。本专利技术的有益效果：1、本专利技术采用直接推力控制方式，减少了复杂的坐标变换；2、本专利技术控制方法在趋近运动段采用指数趋近律，使系统快速到达切换面，在滑模运动段采用模糊控制实现滑模的切换控制，可减小系统运行的抖振现象；3、本专利技术采用模糊控制和滑模控制相结合的控制方法，加快系统的运行速度响应时间，提高了系统的鲁棒性。附图说明图1为本专利技术控制装置的硬件系统框图；图2为本专利技术控制方法的系统框图；图3为本专利技术控制方法的主程序流程图；图4为本专利技术控制方法的系统中断程序流程图。图中：V*—直线电机的给定速度；V—直线电机的实际速度；F*—系统实际推力；F—系统估计推力；ψ*—系统给定磁链；ψ—系统估计磁链；e1—直线电机的给定速度与实 际速度的误差；e2—直线电机给定速度与实际速度的误差变化率；uf—滑模切换控制输出；ueq—滑模等效控制输出；FC—模糊控制；SMC—滑模变结构控制。具体实施方式为了进一步了解本专利技术的内容，下面结合附图并举实例对本专利技术进行详细描述。如图1所示，本专利技术一种应用于高精数控机床的直线伺服系统运行速度的控制装置，其包括：整流滤波模块、IPM智能功率模块、直线电机(PMLSM)、DSP数字信号处理器单元、A/D模块(图中未标出)、故障检测保护模块、光电隔离模块、电流检测模块、编码器、传感器、键盘显示。整流滤波模块连接至IPM智能功率模块，IPM智能功率模块连接至直线电机(PMLSM)，另一方面，电流检测模块采集IPM智能功率模块输出的相电流，并将采集的信号传递给DSP数字信号处理器单元中的A/D模块(图中未标出)；传感器通过编码器与直线电机(PMLSM)连接，并与DSP数字信号处理器单元相连接，检测直线电机的速度与位置，并将其转变为电信号传递给DSP数字信号处理器单元；所述DSP数字信号处理器单元与所述IPM智能功率模块本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的装置，包括：整流滤波模块、IPM智能功率模块、直线电机、DSP数字信号处理器单元、A/D模块、故障检测保护模块、光电隔离模块、电流检测模块、编码器、传感器、键盘显示；所述整流滤波模块连接至IPM智能功率模块，IPM智能功率模块连接至直线电机，所述电流检测模块采集IPM智能功率模块输出的相电流，并将采集的信号传递给DSP数字信号处理器单元中的A/D模块；所述传感器通过编码器与直线电机连接，并与DSP数字信号处理器单元连接，将直线电机的速度与位置信号传递给DSP数字信号处理器单元；所述DSP数字信号处理器单元与所述IPM智能功率模块之间连接有光电隔离模块以及故障检测保护模块；所述DSP数字信号处理器单元还与外部的键盘显示相连接；其特征在于，所述DSP数字信号处理器单元包括软件存储器和驱动器，用于实现PI调节控制器和模糊滑模控制器的功能。
【技术特征摘要】
1.一种高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的装置，包括：整流滤波模块、IPM智能功率模块、直线电机、DSP数字信号处理器单元、A/D模块、故障检测保护模块、光电隔离模块、电流检测模块、编码器、传感器、键盘显示；所述整流滤波模块连接至IPM智能功率模块，IPM智能功率模块连接至直线电机，所述电流检测模块采集IPM智能功率模块输出的相电流，并将采集的信号传递给DSP数字信号处理器单元中的A/D模块；所述传感器通过编码器与直线电机连接，并与DSP数字信号处理器单元连接，将直线电机的速度与位置信号传递给DSP数字信号处理器单元；所述DSP数字信号处理器单元与所述IPM智能功率模块之间连接有光电隔离模块以及故障检测保护模块；所述DSP数字信号处理器单元还与外部的键盘显示相连接；其特征在于，所述DSP数字信号处理器单元包括软件存储器和驱动器，用于实现PI调节控制器和模糊滑模控制器的功能。2. 根据权利要求1所述的高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的装置，其特征在于，所述DSP数字信号处理器单元还包括：存储器、时钟、振荡器和锁相环、看门狗模块、CPU定时、通用输入/输出口，外围中断扩展PIE、通用定时器、比较单元、PWM电路、正交编码脉冲QEP电路、串行通信接口。3. 一种高精数控机床的控制直线伺服系统运行速度的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，对直线电机的位置、速度等初始值进行设置；步骤2，DSP数字信号处理器单...
【专利技术属性】
技术研发人员：林健，郭秀杰，王东杰，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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