一种磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法技术方案

本发明专利技术提出了一种磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法。本发明专利技术包括悬浮转台运动控制系统。分数阶滑模运动控制方法根据实时采集的六自由度姿态计算磁悬浮转台每相线圈电流产生的磁力和力矩；结合磁悬浮转台所受的合磁力和合力矩，进一步构建系统动力学方程、连续域和离散域系统状态方程；结合连续域系统状态方程，通过非线性干扰观测器实现对系统集总不确定性扰动的实时补偿；结合磁悬浮转台六自由度状态，构建分数阶比例微分积分滑模面；结合离散域系统状态方程和滑模面，在离散域设计有限时间收敛的分数阶滑模运动控制策略。本发明专利技术提升了磁悬浮转台的抗扰性能；提升了磁悬浮转台的轨迹跟踪精度、改善了系统动态性能。态性能。态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法


[0001]本专利技术属于磁悬浮系统运动控制
，涉及一种磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法。

技术介绍

[0002]磁悬浮定位平台具有无机械摩擦、多自由度运动、能在真空中运行、能够通过单一电磁执行器直接实现多自由度运动定位等优势，在集成电路IC制造、微装配、光学器件制造、生物细胞作业等超高精密制造领域具有很好的应用前景。作为磁悬浮定位平台的一种具体实现形式，磁悬浮转台由于其本体结构具有中心对称特点，在执行旋转运动时求解圆周型HALBACH磁阵列的空间磁通密度仅需考虑相位问题，因此磁悬浮转台具有实现兼具无限制旋转运动和大行程平移运动的能力优势。
[0003]磁悬浮定位平台属于多输入多输出、非线性系统，自身具有复杂的电磁关系、强耦合性。在电机控制、飞行器控制等应用领域中，针对具有模型参数摄动、建模误差、不确定性扰动等因素的系统，滑模运动控制具有较好的表现。传统连续时间滑模控制策略在利用数字控制器实现过程中，由于忽略了系统采样间隔、量化误差等影响，越来越无法满足系统控制精度的要求。而离散时间滑模控制技术的出现，为数字形式实现的系统提供了更优的控制器设计方案。分数阶微积分在滑模控制技术中的应用能够有效降低控制器输出抖动、提升系统控制精度。
[0004]针对磁悬浮转台这类多输入多输出非线性系统，经典PID控制器难以满足高精度运动控制的需求，因此需要更优的磁悬浮转台运动控制方案。

技术实现思路

[0005]为了实现对磁悬浮转台的高精度运动控制，本专利技术提供了一种磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法，以实现对具有强耦合性、不确定性扰动等因素存在的多输入多输出非线性磁悬浮转台系统的多自由度轨迹跟踪运动控制。
[0006]本专利技术磁悬浮转台运动控制系统包括：
[0007]磁悬浮转台、第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器、第四激光位移传感器、第五激光位移传感器、第六激光位移传感器、模数转换芯片、嵌入式控制器、系统上位机、数模转换芯片、硬件功放电路；
[0008]所述模数转换芯片分别与所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器、第四激光位移传感器、第五激光位移传感器、第六激光位移传感器依次连接；
[0009]所述模数转换芯片、嵌入式控制器、数模转换芯片、硬件功放电路、磁悬浮转台依次串联连接；
[0010]所述系统上位机与所述嵌入式控制器连接；
[0011]本专利技术系统实现对磁悬浮转台闭环运动控制的技术方案为：
[0012]所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器设置在水平方向，第四激光位移传感器、第五激光位移传感器、第六激光位移传感器设置在垂直方向；
[0013]所述第一激光位移传感器用于实时采集第一距离信号、第二激光位移传感器用于实时采集第二距离信号、第三激光位移传感器用于实时采集第三距离信号、第四激光位移传感器用于实时采集第四距离信号、第五激光位移传感器用于实时采集第五距离信号、第六激光位移传感器用于实时采集第六距离信号，第一至第六距离信号经过所述模数转换芯片转换成第一至第六距离数字信号后输入所述嵌入式控制器；
[0014]所述嵌入式控制器结合第一距离数字信号、第二距离数字信号、第三距离数字信号通过牛顿
‑
拉普逊法解算出x自由度姿态、y自由度姿态、γ自由度姿态；
[0015]所述嵌入式控制器结合第四距离数字信号、第五距离数字信号、第六距离数字信号通过矩阵计算解算出z自由度姿态、α自由度姿态、β自由度姿态；
[0016]所述嵌入式控制器结合x自由度姿态、y自由度姿态、z自由度姿态、α自由度姿态、β自由度姿态、γ自由度姿态通过分数阶滑模控制方法得到实时的系统驱动控制信号，将系统驱动控制信号经过所述数模转换芯片变换成驱动模拟电压信号输出到所述硬件功放电路，所述硬件功放电路将驱动模拟电压信号通过功率放大得到驱动模拟电流信号，通过驱动模拟电流信号驱动所述磁悬浮转台实现六自由度运动的闭环运动控制；
[0017]所述数阶滑模运动控制方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1、根据实时采集的x自由度姿态、y自由度姿态、z自由度姿态、α自由度姿态、β自由度姿态、γ自由度姿态计算磁悬浮转台每相线圈电流产生的磁力和力矩；
[0019]步骤2、结合步骤1所述的磁悬浮转台所受的合磁力和合力矩，进一步构建磁悬浮转台的系统动力学方程、连续域和离散域系统状态方程；
[0020]步骤3、结合步骤2所述的连续域系统状态方程和系统集总不确定性扰动，通过非线性干扰观测器实现对系统集总不确定性扰动的实时补偿；
[0021]步骤4、结合步骤2所述的磁悬浮转台六自由度姿态和六自由度速度，构建分数阶比例微分积分滑模面；
[0022]步骤5、结合步骤2所述的离散域系统状态方程和步骤4所述的分数阶比例微分积分滑模面，在离散域设计有限时间收敛的分数阶滑模运动控制策略；
[0023]作为优选，所述步骤1具体如下：
[0024]根据洛伦兹力原理，计算磁悬浮转台各相线圈电流产生的磁力和力矩。当磁悬浮转台处于某一姿态下时，各相线圈电流产生的磁力和力矩与线圈电流大小实际成比例关系，因此可将磁力和力矩表示成与电流的比例等式，其比例系数与系统本体结构和磁悬浮转台实时姿态有关，但对于特定系统在某一六自由度姿态{x,y,z,α,β,γ}时，比例系数是确定的，单相线圈电流产生的磁力和力矩为：
[0025][0026][0027]其中，F
i
和T
i
表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的磁力和力矩，表示磁悬浮转
台第i相线圈电流产生的x自由度磁力系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的y自由度磁力系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的z自由度磁力系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的α自由度力矩系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的β自由度力矩系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的γ自由度力矩系数，I
i
表示磁悬浮转台第i相线圈的电流值。
[0028]所述的磁悬浮转台所受的合磁力和合力矩为：
[0029][0030]其中，[F T]T
＝[F
x F
y F
z T
α T
β T
γ
]T
表示磁悬浮转台所受的合磁力和合力矩矩阵，F
x
表示磁悬浮转台所受的x自由度合磁力，F
y
表示磁悬浮转台所受的y自由度合磁力，F
z
表示磁悬浮转台所受的z自由度合磁力，T
α
表示磁悬浮转台所受的α自由度合力矩，T
β
表示磁悬浮转台所受的β自由度合力矩，T
γ
表示磁悬浮转台所受的γ自由度合力矩，ft表示磁悬浮转台的磁力和力矩系数矩阵，I＝[I
1 I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法，其特征在于，所述磁悬浮转台运动控制系统包括：磁悬浮转台、第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器、第四激光位移传感器、第五激光位移传感器、第六激光位移传感器、模数转换芯片、嵌入式控制器、系统上位机、数模转换芯片、硬件功放电路；所述模数转换芯片分别与所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器、第四激光位移传感器、第五激光位移传感器、第六激光位移传感器依次连接；所述模数转换芯片、嵌入式控制器、数模转换芯片、硬件功放电路、磁悬浮转台依次串联连接；所述系统上位机与所述嵌入式控制器连接；本发明系统实现对磁悬浮转台闭环运动控制的技术方案为：所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器设置在水平方向，第四激光位移传感器、第五激光位移传感器、第六激光位移传感器设置在垂直方向；所述第一激光位移传感器用于实时采集第一距离信号、第二激光位移传感器用于实时采集第二距离信号、第三激光位移传感器用于实时采集第三距离信号、第四激光位移传感器用于实时采集第四距离信号、第五激光位移传感器用于实时采集第五距离信号、第六激光位移传感器用于实时采集第六距离信号，第一至第六距离信号经过所述模数转换芯片转换成第一至第六距离数字信号后输入所述嵌入式控制器；所述嵌入式控制器结合第一距离数字信号、第二距离数字信号、第三距离数字信号通过牛顿
‑
拉普逊法解算出x自由度姿态、y自由度姿态、γ自由度姿态；所述嵌入式控制器结合第四距离数字信号、第五距离数字信号、第六距离数字信号通过矩阵计算解算出z自由度姿态、α自由度姿态、β自由度姿态；所述嵌入式控制器结合x自由度姿态、y自由度姿态、z自由度姿态、α自由度姿态、β自由度姿态、γ自由度姿态通过分数阶滑模控制方法得到实时的系统驱动控制信号，将系统驱动控制信号经过所述数模转换芯片变换成驱动模拟电压信号输出到所述硬件功放电路，所述硬件功放电路将驱动模拟电压信号通过功率放大得到驱动模拟电流信号，通过驱动模拟电流信号驱动所述磁悬浮转台实现六自由度运动的闭环运动控制；所述分数阶滑模运动控制方法，包括以下步骤：步骤1、根据实时采集的x自由度姿态、y自由度姿态、z自由度姿态、α自由度姿态、β自由度姿态、γ自由度姿态计算磁悬浮转台每相线圈电流产生的磁力和力矩；步骤2、结合步骤1所述的磁悬浮转台所受的合磁力和合力矩，进一步构建磁悬浮转台的系统动力学方程、连续域和离散域系统状态方程；步骤3、结合步骤2所述的连续域系统状态方程和系统集总不确定性扰动，通过非线性干扰观测器实现对系统集总不确定性扰动的实时补偿；步骤4、结合步骤2所述的磁悬浮转台六自由度姿态和六自由度速度，构建分数阶比例微分积分滑模面；步骤5、结合步骤2所述的离散域系统状态方程和步骤4所述的分数阶比例微分积分滑模面，在离散域设计有限时间收敛的分数阶滑模运动控制策略。2.根据权利要求所述的磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法，其特征
在于，所述步骤1具体如下：根据洛伦兹力原理，计算磁悬浮转台各相线圈电流产生的磁力和力矩；当磁悬浮转台处于某一姿态下时，各相线圈电流产生的磁力和力矩与线圈电流大小实际成比例关系，因此可将磁力和力矩表示成与电流的比例等式，其比例系数与系统本体结构和磁悬浮转台实时姿态有关，但对于特定系统在某一六自由度姿态{x,y,z,α,β,γ}时，比例系数是确定的，单相线圈电流产生的磁力和力矩为：单相线圈电流产生的磁力和力矩为：其中，F
i
和T
i
表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的磁力和力矩，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的x自由度磁力系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的y自由度磁力系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的z自由度磁力系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的α自由度力矩系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的β自由度力矩系数，表示磁悬浮转台第i相线圈电流产生的γ自由度力矩系数，I
i
表示磁悬浮转台第i相线圈的电流值；所述的磁悬浮转台所受的合磁力和合力矩为：其中，[F T]
T
＝[F
x F
y F
z T
α T
β T
γ
]
T
表示磁悬浮转台所受的合磁力和合力矩矩阵，F
x
表示磁悬浮转台所受的x自由度合磁力，F
y
表示磁悬浮转台所受的y自由度合磁力，F
z
表示磁悬浮转台所受的z自由度合磁力，T
α
表示磁悬浮转台所受的α自由度合力矩，T
β
表示磁悬浮转台所受的β自由度合力矩，T
γ
表示磁悬浮转台所受的γ自由度合力矩，ft表示磁悬浮转台的磁力和力矩系数矩阵，I＝[I
1 I
2 I
3 I
4 I
5 I
6 I
7 I8]
T
表示磁悬浮转台各相线圈电流矩阵。3.根据权利要求所述的磁悬浮转台运动控制系统的分数阶滑模运动控制方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：建立磁悬浮转台系...

【专利技术属性】
技术研发人员：许贤泽，龚勇兴，徐逢秋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：