柔性龙门双驱系统及其电联合解耦运动控制方法技术方案

本发明专利技术涉及电机驱动与运动控制领域，具体的，涉及一种柔性龙门双驱系统及其机电联合解耦运动控制方法，包括柔性支撑装置、直线电机、线性导轨以及横梁，柔性支撑装置包括偏扭柔性铰链和回转柔性铰链，采用柔性铰链装置实现横梁与线性导轨的滑动连接和柔性支撑。本发明专利技术基于永磁同步直线电机的龙门双驱运动平台，将龙门双驱的运动分为了平动回路和转动回路，分别控制，解决了具有非对称柔性支撑结构龙门双驱运动控制中的同步问题和耦合问题，提升了双驱运动同步性能和收敛速度，实现了对内部耦合和外部扰动的有效抑制，提高龙门双驱运动平台的定位精度。定位精度。定位精度。

【技术实现步骤摘要】
柔性龙门双驱系统及其电联合解耦运动控制方法


[0001]本专利技术涉及电机驱动与运动控制领域，具体的，涉及一种柔性龙门双驱系统及其电联合解耦运动控制方法。

技术介绍

[0002]龙门双驱运动平台作为一种工业器件，在精密仪器、高端机床、半导体装备领域均有重要用途。横梁引入的机械耦合使得双驱同步控制变得困难，尤其是系统的耦合问题，会严重影响龙门双驱系统的定位精度，此外，各类未知的外部扰动进一步影响了系统双驱同步性能。
[0003]现有龙门双驱系统大多数采用刚性支撑结构，依靠系统装调精度和主从轴同步精度控制横梁内力影响，在复杂工况下无法做到完全抑制。《双驱龙门平台局部可置换柔性关节设计与建模研究》公布了一种双侧薄璧梁柔性支撑关节，其缺点在于无法克服横梁在跨度方向的左右振动，横梁在外力作用下，跨度方向存在位移，同时容易产生左右振荡，影响系统整体精度。
[0004]现有的龙门双驱算法，多采用双侧同步思路、抑制不同步干扰作为指导思想，如《基于干扰观测器的龙门机床双驱系统的同步控制》一文，然而双驱完全同步是不可能实现的，双侧异步的出现会导致系统模型快速变化。
[0005]本专利技术充分考虑机械模型和电气模型的一致性，通过柔性支撑设计、控制算法设计，实现龙门双驱机电联合解耦，克服现有龙门伺服系统的各种缺陷。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种柔性龙门双驱系统及其电联合解耦运动控制方法。
[0007]根据本专利技术提供的一种柔性龙门双驱系统，包括柔性支撑装置、直线电机、线性导轨以及横梁；
[0008]所述柔性支撑装置包括偏扭柔性铰链和回转柔性铰链，两组所述直线电机分别安装于两条间隔平行设置的所述线性导轨上，所述横梁两端分别通过所述偏扭柔性铰链、所述回转柔性铰链与两组所述直线电机连接，所述偏扭柔性铰链提供所述横梁水平面内的相对回转和沿其跨度方向的相对位移，所述回转柔性铰链提供所述横梁水平面内的相对回转；
[0009]所述横梁与所述偏扭柔性铰链连接的一端的运动控制采用平动回路控制，其中平动回路遵循位置
‑
速度串级控制方式，所述横梁与所述回转柔性铰链连接的一端的运动控制采用转动回路控制，其中转动回路遵循位置单级控制方式，将所述平动回路控制的控制量与所述转动回路控制的控制量进行处理后作为电流环控制给定，电流环控制采用矢量控制框架下的解耦控制。
[0010]一些实施方式中，所述偏扭柔性铰链包括第一横梁连接架、第一线轨连接块、第一
垂向止动片以及第一纵向止动片；
[0011]所述第一横梁连接架为中空结构框，所述第一线轨连接块的上下端面分别通过所述第一垂向止动片与所述第一横梁连接架的上下梁连接，所述第一线轨连接块的左右侧面分别通过所述第一纵向止动片与所述第一横梁连接架的左右梁连接，所述横梁的一端坐落于所述第一横梁连接架的左右梁上；
[0012]所述第一垂向止动片限制所述第一横梁连接架与所述第二线轨连接块在上下垂向方向的相对位移，所述第一纵向止动片限制所述第一横梁连接架与所述线轨连接块在所述横梁滑动方向的相对位移。
[0013]一些实施方式中，所述回转柔性铰链包括第二横梁连接架、第二线轨连接块、第二垂向止动片、第二纵向止动片、横向止动片以及横向止动板；
[0014]所述第二横梁连接架为中空结构框，所述第二线轨连接块的上下端面分别通过所述第二垂向止动片与所述第二横梁连接架的上下梁连接，所述第二线轨连接块的左右侧面分别通过所述第二纵向止动片与所述第二横梁连接架的左右梁连接，所述横向止动板通过所述横向止动片分别与所述第二横梁连接架的上下梁以及所述第二线轨连接块连接，
[0015]所述第二垂向止动片限制所述第二横梁连接架与所述第二线轨连接块在上下垂向方向的相对位移，所述第二纵向止动片限制所述第一横梁连接架与所述第二线轨连接块在所述横梁滑动方向的相对位移，所述横向止动片与所述横向止动板限制所述第一横梁连接架与所述第二线轨连接块前后方向的相对位移。
[0016]本专利技术还提供了一种柔性龙门双驱系统的机电联合解耦运动控制方法，采用所述的柔性龙门双驱系统，包括如下步骤：
[0017]步骤100，控制器给定龙门双驱运动位置；
[0018]步骤200，测量双驱两轴的实际位移量，并计算系统反馈量；
[0019]步骤300：将双驱运动控制分为平动回路控制和转动回路控制，平动回路控制为位置
‑
速度串级控制，转动回路控制为角度单级控制；
[0020]步骤400：利用横梁偏转角和横梁偏转角角速度作为非奇异终端滑模控制器的变量，计算转动回路角度控制量；
[0021]步骤500：将平动回路控制量和转动回路控制量处理后作为电流环控制给定，电流环控制采用矢量控制框架下的解耦控制；
[0022]一些实施方式中，所述步骤200包括：
[0023]两轴位移测量步骤：通过光栅尺测量两轴的实际位移量，取主轴位移量作为平动位移，所述主轴为规定的某一侧直线电机的主轴；
[0024]平动速度计算步骤：对主轴位移量做微分计算得到主轴平动速度；
[0025]横梁偏转角度计算步骤：通过两轴位移量和两平行轴距离计算得到横梁偏转角度。
[0026]一些实施方式中，包括步骤300包括：
[0027]平动回路位置环控制步骤：平动回路位置环控制采用比例
‑
微分控制，平动回路位置环接收运动控制器的位置给定指令，控制量输入到速度环回路；
[0028]平动回路速度环控制步骤：平动回路速度环设计基于模型补偿二阶线性扩张状态观测器解耦控制回路；
[0029]转动回路角度环控制步骤：转动回路角度环设计基于模型补偿三阶线性扩张状态观测器解耦控制回路。
[0030]一些实施方式中，所述的平动回路速度环控制步骤包括：
[0031]平动回路已知模型动态计算步骤：由平动速度、横梁偏转角角速度两项可测量计算得出；
[0032]基于扩张状态观测器的扰动项观测步骤：平动回路速度环设计带有模型补偿的二阶线性扩张状态观测器。状态变量为平动速度，将总扰动项f
T
扩张为新状态以观测，并设其导数为r
t
，总扰动项由实际系统中不易测量的动态和控制误差、建模误差、未建模高阶动态和外部扰动组成，则龙门平动状态方程可以写为：
[0033][0034]y
T
＝C
T
z
T
[0035]其中：C
T
＝[1 0]，z1为平动速度，z2为总扰动项f
T
所作为的新状态，f
T0
为模型已知部分，u
T
为平动回路速度环输出，y
T
为速度环模型输出，b
T0
反映控制量与被控量导数之间的关系；
[0036]基于上述将扰动状态扩张为新状态后的二阶速度环模型，设计带有模型补偿的二阶线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性龙门双驱系统，其特征在于，包括柔性支撑装置(1)、直线电机(2)、线性导轨(3)以及横梁(4)；所述柔性支撑装置(1)包括偏扭柔性铰链(11)和回转柔性铰链(12)，两组所述直线电机(2)分别安装于两条间隔平行设置的所述线性导轨(3)上，所述横梁(4)两端分别通过所述偏扭柔性铰链(1)、所述回转柔性铰链(12)与两组所述直线电机(2)连接，所述偏扭柔性铰链(11)提供所述横梁水平面内的相对回转和沿其跨度方向的相对位移，所述回转柔性铰链(12)提供所述横梁水平面内的相对回转；所述横梁(4)与所述偏扭柔性铰链(11)连接的一端的运动控制采用平动回路控制，其中平动回路遵循位置
‑
速度串级控制方式，所述横梁(4)与所述回转柔性铰链(12)连接的一端的运动控制采用转动回路控制，其中转动回路遵循位置单级控制方式，将所述平动回路控制的控制量与所述转动回路控制的控制量进行处理后作为电流环控制给定，电流环控制采用矢量控制框架下的解耦控制。2.根据权利要求1所述的柔性龙门双驱系统，其特征在于，所述偏扭柔性铰链(11)包括第一横梁连接架(111)、第一线轨连接块(112)、第一垂向止动片(113)以及第一纵向止动片(114)；所述第一横梁连接架(11)为中空结构框，所述第一线轨连接块(112)的上下端面分别通过所述第一垂向止动片(113)与所述第一横梁连接架(111)的上下梁连接，所述第一线轨连接块(112)的左右侧面分别通过所述第一纵向止动片(114)与所述第一横梁连接架(111)的左右梁连接，所述横梁(4)的一端坐落于所述第一横梁连接架(111)的左右梁上；所述第一垂向止动片(113)限制所述第一横梁连接架(111)与所述第二线轨连接块(112)在上下垂向方向的相对位移，所述第一纵向止动片(114)限制所述第一横梁连接架(111)与所述线轨连接块(112)在所述横梁(4)滑动方向的相对位移。3.根据权利要求1或2所述的柔性龙门双驱系统，其特征在于，所述回转柔性铰链(12)包括第二横梁连接架(121)、第二线轨连接块(122)、第二垂向止动片(123)、第二纵向止动片(124)、横向止动片(125)以及横向止动板(126)；所述第二横梁连接架(121)为中空结构框，所述第二线轨连接块(122)的上下端面分别通过所述第二垂向止动片(123)与所述第二横梁连接架(121)的上下梁连接，所述第二线轨连接块(122)的左右侧面分别通过所述第二纵向止动片(124)与所述第二横梁连接架(121)的左右梁连接，所述横向止动板(126)通过所述横向止动片(125)分别与所述第二横梁连接架(12)的上下梁以及所述第二线轨连接块(122)连接，所述第二垂向止动片(123)限制所述第二横梁连接架(121)与所述第二线轨连接块(122)在上下垂向方向的相对位移，所述第二纵向止动片(124)限制所述第一横梁连接架(121)与所述第二线轨连接块(122)在所述横梁(4)滑动方向的相对位移，所述横向止动片(125)与所述横向止动板(126)限制所述第一横梁连接架(121)与所述第二线轨连接块(122)前后方向的相对位移。4.一种柔性龙门双驱系统的机电联合解耦运动控制方法，其特征在于，采用如权利要求1
‑
3任一所述的柔性龙门双驱系统，包括如下步骤：步骤100，控制器给定龙门双驱运动位置；步骤200，测量双驱两轴的实际位移量，并计算系统反馈量；
步骤300：将双驱运动控制分为平动回路控制和转动回路控制，平动回路控制为位置
‑
速度串级控制，转动回路控制为角度单级控制；步骤400：利用横梁偏转角和横梁偏转角角速度作为非奇异终端滑模控制器的变量，计算转动回路角度控制量；步骤500：将平动回路控制量和转动回路控制量处理后作为电流环控制给定，电流环控制采用矢量控制框架下的解耦控制。5.根据权利要求4所述的柔性龙门双驱系统的机电联合解耦运动控制方法，其特征在于，所述步骤200包括：两轴位移测量步骤：通过光栅尺测量两轴的实际位移量，取主轴位移量作为平动位移，所述主轴为规定的某一侧直线电机的主轴；平动速度计算步骤：对主轴位移量做微分计算得到主轴平动速度；横梁偏转角度计算步骤：通过两轴位移量和两平行轴距离计算得到横梁偏转角度。6.根据权利要求4所述的柔性龙门双驱系统的机电联合解耦运动控制方法，其特征在于，包括步骤300包括：平动回路位置环控制步骤：平动回路位置环控制采用比例
‑
微分控制，平动回路位置环接收运动控制器的位置给定指令，控制量输入到速度环回路；平动回路速度环控制步骤：平动回路速度环设计基于模型补偿二阶线性扩张状态观测器解耦控制回路；转动回路角度环控制步骤：转动回路角度环设计基于模型补偿三阶线性扩张状态观测器解耦控制回路。7.根据权利要求6所述的柔性龙门双驱系统的机电联合解耦运动控制方法，其特征在于，所述的平动回路速度环控制步骤包括：平动回路已知模型动态计算步骤：由平动速度、横梁偏转角角速度两项可测量计算得出；基于扩张状态观测器的扰动项观测步骤：平动回路速度环设计带有模型补偿的二阶线性扩张状态观测器。状态变量为平动速度，将总扰动项f
T<...

【专利技术属性】
技术研发人员：关新平，谷朝臣，陈超，位广宇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：