一种应用于冗余驱动系统的双直线电机协同控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于冗余驱动系统的双直线电机协同控制方法，该方法：S1、获取第一、第二直线电机的当前位置/速度反馈信号，确定质心位置信号，并给定其期望位置信号；S2、根据S1获得的质心位置信号和期望位置信号，通过轨迹跟踪算法计算驱动横梁所需推力；S3、根据S2获得的推力，通过内力调节算法计算分配到各直线电机所需推力的控制输出量；S4、根据S3得到的控制输出量，驱动直线电机运动，并将直线电机的位置/速度作为实时反馈；重复S1至S4，实现连续控制。本发明专利技术通过各电机的推力分配调节避免了较大的耦合内力，解决了目前常见控制方法由于仅考虑各电机的运动同步而忽略冗余驱动系统耦合内力因而其实用性受限的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直线电机精密控制领域，尤其是涉及一种应用于冗余驱动系统的双直线电机协同控制方法。
技术介绍
永磁直线电机具有结构简单、定位精度高、振动和噪声小、动态响应快、无传动间隙、无行程限制、推力体积比大等显著优点，在高精密装备行业中愈发得到重视与应用。采用直线电机驱动的H型结构精密运动/定位平台由于其便于实现平面或空间多轴精密直线或回转运动，因而在先进制造、航空航天、微电子和微机械制造、精密测量等领域呈现出日益增大的应用需求。此种结构中，并行安装的两台直线电机与一刚性横梁两端分别固定连接，共同驱动此横梁及其上所附加的负载。这种双边冗余驱动形式能够实现双倍的推力以及较高的系统刚性，从而有利于保证系统更高的加速度和更高的精度。应该注意到的是，由于双直线电机通过横梁刚性固定连接在一起，其动力学的相互耦合使双直线电机的同步控制问题变得复杂：一旦两边的运动出现不同步，刚性固定连接的机械结构也会产生互相拉扯的内力，从而影响系统性能甚至造成硬件损坏。因此，实现该类系统正常运行需要在考虑双直线电机运动控制的同时兼顾调节其内力大小，避免耦合内力过大，产生相互拉扯现象影响系统性能。目前，双边驱动的控制方式主要有并行控制、主从控制以及交叉耦合控制三种。并行控制方法是各电机控制环路相互独立，分别跟踪同一输入指令，其结构简单但综合性能较差；主从控制方法中从电机的输入指令是根据主电机的反馈信号产生，保证从电机能较好跟踪主电机的运动，但从电机上的扰动信息不能反馈到主电机上，并且从电机始终存在滞后问题；交叉耦合控制方法是综合各个电机的位置/速度反馈信息，针对同步误差设计反馈控制，产生各个电机的输入指令，能够很大程度上保证各电机运动的同步。然而，目前的控制方法在考虑两电机运动同步的同时，皆忽略了刚性机械结构对系统性能的影响：即使同步误差被控制在很小的范围内，刚性连接的机械结构也可能产生很大的耦合内力，影响系统性能，从而使所设计的同步控制方法实用性受限。
技术实现思路
本专利技术提一种应用于冗余驱动系统的双直线电机协同控制方法，其目的在于解决
技术介绍
中所述的控制方法由于仅考虑各电机的运动同步而忽略冗余驱动系统耦合内力因而其实用性受限的问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种应用于冗余驱动系统的双直线电机协同控制方法，所述冗余驱动系统包括第一直线导轨、横梁和第二直线导轨，所述横梁横架在第一直线导轨和第二直线导轨上，所述横梁两侧平行均布置有第一、第二直线电机，所述两个直线电机共同驱动横梁一个方向的自由度，该方法包括以下步骤：步骤一、获取第一、第二直线电机的当前位置/速度反馈信号，确定包括横梁及其上负载在内的整个运动部分的质心位置信号yG，并给定其期望位置信号yd；步骤二、根据步骤一获得的质心位置信号yG和期望位置信号yd，通过轨迹跟踪算法计算驱动横梁所需推力；步骤三、根据步骤二获得的推力，通过内力调节算法计算分配到各直线电机所需推力的控制输出量；步骤四、根据步骤三得到的控制输出量，驱动直线电机运动，并将直线电机的位置/速度作为实时反馈；重复步骤一至步骤四，实现连续控制。进一步地，所述步骤一具体为：第一直线电机当前位置反馈信号y1(t)和第二直线电机的当前位置反馈信号y2(t)通过直线光栅编码器实时测量得到；令包括横梁及其上负载在内的整个运动部分的质心位置为yG，其中l1为质心位置到第一直线导轨的距离，l2为质心位置到第二直线导轨的距离；预定的期望位置信号yd为已知给定量；速度信号则可相应地通过各个位置信号微分得到。进一步地，所述步骤二具体为：根据牛顿力学建立动力学方程为： M y ·· G = F m 1 + F m 2 - F r 1 - F r 2 + d y - - - ( 2.1 ) ]]>其中M为包括横梁及其上负载在内的整个运动部分的质量；为为质心位置的加速度；Fm1和Fm2分别为横梁在两端受到第一直线电机和第二直线电机产生的电磁推力，即：Fm1＝K1u1,Fm2＝K2u2 (2.2)其中u1和u2分别为第一、第二直线电机的控制输入量，K1和K2分别为第一、第二直线电机的推力常数；Fr1和Fr2分别为横梁两端在第一直线导轨和第二直线导轨处受到的摩擦力，即： F r 1 ( y · 1 ) = B 1 y · 1 + A 1 S f ( y · 1 ) , F r 2 ( y · 2 ) = B 2 y · 2 + A 2 S f ( y · 2 ) - - - ( 2.3 ) ]]>其中B1和B2均为粘性摩擦力系数，A1和A2均为库伦摩擦力系数，Sf(·)为所选定的用来逼近传统库伦摩擦力模型中符号函数sgn(·)项的一个连续函数；dy表示其它不确定性以及外干扰；为了简化，将和分别用和近似代替，从而动力学方程(2.1)简写成： M y ·· 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于冗余驱动系统的双直线电机协同控制方法，所述冗余驱动系统包括第一直线导轨、横梁和第二直线导轨，所述横梁横架在第一直线导轨和第二直线导轨上，所述横梁两侧平行均布置有第一、第二直线电机，所述两个直线电机共同驱动横梁一个方向的自由度，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取第一、第二直线电机的当前位置/速度反馈信号，确定包括横梁及其上负载在内的整个运动部分的质心位置信号yG，并给定其期望位置信号yd。步骤二、根据步骤一获得的质心位置信号yG和期望位置信号yd，通过轨迹跟踪算法计算驱动横梁所需推力。步骤三、根据步骤二获得的推力，通过内力调节算法计算分配到各直线电机所需推力的控制输出量。步骤四、根据步骤三得到的控制输出量，驱动直线电机运动，并将直线电机的位置/速度作为实时反馈。重复步骤一至步骤四，实现连续控制。

【技术特征摘要】
1.一种应用于冗余驱动系统的双直线电机协同控制方法，所述冗余驱动系统包括第一直线导轨、横梁和第二直线导轨，所述横梁横架在第一直线导轨和第二直线导轨上，所述横梁两侧平行均布置有第一、第二直线电机，所述两个直线电机共同驱动横梁一个方向的自由度，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、获取第一、第二直线电机的当前位置/速度反馈信号，确定包括横梁及其上负载在内的整个运动部分的质心位置信号yG，并给定其期望位置信号yd。步骤二、根据步骤一获得的质心位置信号yG和期望位置信号yd，通过轨迹跟踪算法计算驱动横梁所需推力。步骤三、根据步骤二获得的推力，通过内力调节算法计算分配到各直线电机所需推力的控制输出量。步骤四、根据步骤三得到的控制输出量，驱动直线电机运动，并将直线电机的位置/速度作为实时反馈。重复步骤一至步骤四，实现连续控制。2.根据权利要求1所述的双直线电机协同控制方法，其特征在于，所述步骤一具体为：第一直线电机当前位置反馈信号y1(t)和第二直线电机的当前位置反馈信号y2(t)通过直线光栅编码器实时测量得到；令包括横梁及其上负载在内的整个运动部分的质心位置为yG，其中l1为质心位置到第一直线导轨的距离，l2为质心位置到第二直线导轨的距离；预定的期望位置信号yd为已知给定量；速度信号则可相应地通过各个位置信号微分得到。3.根据权利要求2所述的双直线电机协同控制方法，其特征在于，所述步骤二具体为：根据牛顿力学建立动力学方程为： M y ·· G = F m 1 + F m 2 - F r 1 - F r 2 + d y - - - ( 2.1 ) ]]>其中M为包括横梁及其上负载在内的整个运动部分的质量；为为质心位置的加速度；Fm1和Fm2分别为横梁在两端受到第一直线电机和第二直线电机产生的电磁推力，即：Fm1＝K1u1，Fm2＝K2u2 (2.2)其中u1和u2分别为第一、第二直线电机的控制输入量，K1和K2分别为第一、第二直线电机的推力常数；Fr1和Fr2分别为横梁两端在第一直线导轨和第二直线导轨处受到的摩擦力，即： F r 1 ( y · 1 ) = B 1 y · 1 + A 1 S f ( y · 1 ) , F r 2 ( y · 2 ) = B 2 y · 2 + A 2 S f ( y · ...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚斌，李聪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33