CN102707666B - 基于方向场的电机驱动xy平台轮廓加工控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置及方法，该装置包括交流调压单元、电压调整电路、整流滤波单元、IPM逆变单元、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流采样电路、位置采样电路和IPM隔离驱动保护电路，所述的数字信号处理器DSP内还设置有NURBS插补器、速度场控制器、IP控制器和积分器；本发明采用基于方向场理论的速度场控制器，使得给定轨迹路径完全转换为由速度场编码的轨迹，转换系统控制方式；基于速度前馈的IP控制减小速度误差，减小了系统外部扰动和参数变化等不确定因素，从而保证了系统的强鲁棒性能，提高轮廓加工精度。

Description

基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置及方法

技术领域

本发明属于数控加工技术和控制领域，特别涉及一种基于速度场和方向场的加工精度控制装置及方法。

背景技术

当今世界各国装备制造业广泛采用数控技术提高制造能力和水平。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径之一。同时，用高效率加工方法已经成为当今制造业的迫切要求，在刀具等技术的配合下，出现了高速高精度加工的切削机床，主要是各类加工中心和各种数控机床。当今所谓高速高精度加工机床，不仅要有很高的主轴切削速度，而且要有很高的进给速度和加速度，同时应当具有亚微米级以致更高的加工精度。而XY数控平台系统的精密轮廓跟踪控制在数控机床中具有代表性，对提高数控系统加工精度和性能具有重要的作用。

在XY平台伺服系统中，相对于传统的间接驱动方式，直线电机直接驱动方式具有明显的优势。然而，此时伺服系统对负载扰动、端部效应和摩擦力扰动等不确定性更为敏感，增加了电气控制上的难度，使其伺服性能降低。随着对数控系统的精度和速度的要求越来越高，对伺服控制器也提出了更高的要求。提高加工速度可以缩短加工时间，提高加工效率，然而在XY平台实现高速加工时，若跟踪轨迹有较剧烈的变化或者轮廓轨迹上存在较大弯曲，导致轮廓跟踪误差增大，严重影响轮廓加工精度。因此，为了在加工精度和加工速度之间取得平衡，解决XY平台高速度和高精度之间的矛盾，探寻实现XY数控平台的高速度、高精度控制策略尤为重要。数控系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，因此，轮廓精度的提高涉及到机床各进给轴的动态特性和参数匹配。对于高速加工和精密加工，机床进给系统各轴间的动态特性不同、控制系统参数不匹配是轮廓跟踪误差的主要来源，因此，对各轴间的动态特性进行分析是降低轮廓误差的首要问题。外部扰动是产生轮廓跟踪误差的另一重要因素。在XY平台控制系统中，加工部件质量的变化较大，对系统性能影响也较大，所以系统参数也是产生轮廓误差的重要因素。

在运动控制系统中，存在许多不确定性的非线性因素的影响，在单轴上，采用经典的PID伺服控制算法很难保证所要求的设计精度。为消除这些不良影响，设计和制造更精密的机械零件将使系统造价昂贵；然而采用廉价计算技术，适当的补偿策略将使得应用相对廉价的机械零件成为可能。为了消除不确定性的影响，采用了有效的控制方案。对于一般精度而言，像PID这样的经典线性控制策略能够很好的满足要求。在数控机床的轮廓加工中，一般采用常规比例（P）型或者比例微分（PD）型控制器，它对各坐标轴的参数匹配有严格的限制。同时对于切削力、导轨非线性摩擦力、系统模型振动的影响，都可能严重地降低了整个闭环系统的控制性能。但是对于需要高精度控制的情形，由于不光滑非线性的影响，经典的控制策略可能不再适用。

随着高精度复杂型面零件加工的不断增加，轮廓精度已成为数控机床(CNC)系统的重要精度指标。CNC系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，因此轮廓精度的提高涉及到机床进给轴动态特性和参数匹配，多轴轨迹运动控制的主要目的就是保证系统的实际运动轨迹一直维持在给定的命令轨迹上。传统方法一般设计跟踪控制器以减少系统跟踪误差，但如果两轴当中有一个轴的跟踪误差较大，系统的轮廓误差也就很大，而在轮廓控制系统中轮廓误差比跟踪误差更重要，轮廓精度较单轴位置精度而言更直接影响工件的加工精度，

对于如何提高轮廓加工精度问题，其中一些方法是以单轴的追踪误差做控制目标，希望由降低单轴的跟踪误差来改善轮廓误差，也就是将双轴的轮廓控制问题简化成各单轴的跟踪控制问题，期望由此降低各轴跟踪误差，使其多轴轮廓误差值也随之降低实际上，轮廓误差并不一定相应地降低，这是由于各轴系统动态响应不一致以及输入信号不同所致，此现象在高速运动中尤其显著。而另一些方法利用直接减小轮廓误差的控制算法首先估算出轮廓误差大小，然后对各个坐标运动轴进行协调控制。但对于以NURBS曲线为代表的自由轨迹轮廓加工，由于轨迹为瞬时突变的，曲率变化瞬时性较强，再利用传统轮廓控制方法对轮廓误差的减小效果并不明显，且算法复杂并不实用。

目前，相关技术包括公开号为CN102033508A的“提高直接驱动XY平台轮廓加工精度方法”专利。

因此，通过建构指令轨迹的速度场，将传统轮廓—跟踪控制问题转化为速度控制问题，简化了控制过程，但针对以NURBS曲线为代表的自由轨迹轮廓运动控制问题，速度场难于建立。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置及方法，以达到转换系统控制方式、速度误差小，系统外部扰动小、参数变化小、鲁棒性能强，轮廓加工精度高的目的。

一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置，该装置包括交流调压单元、电压调整电路、整流滤波单元、IPM逆变单元、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流采样电路、位置采样电路和IPM隔离驱动保护电路，所述的数字信号处理器DSP内还设置有NURBS插补器、速度场控制器、IP控制器和积分器；

所述的数字信号处理器DSP内部NURBS插补器作为产生XY平台加工轮廓轨迹的指令发生器，用于产生XY平台系统的电机动子位置指令信号；速度场控制器用于将NURBS插补器输出的位置指令信号转换为速度指令信号；IP控制器用于消除XY平台系统的X、Y轴速度误差；积分器用于将直线电机模块输出的实际速度信号转换为XY平台系统实际的电机动子位置信号。

采用基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置进行轮廓加工的方法，包括步骤如下：

步骤1：由数字信号处理器DSP内的NURBS插补器计算XY轴相应的电机动子位置坐标，作为XY平台控制系统的输入；

步骤2：利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，并将这个速度指令信号送入XY平台的控制系统；

步骤3：确定直线电机速度；

步骤4：通过光栅尺采样电机动子速度，在数字信号处理器DSP内比较后，执行IP控制器；

步骤5：数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动XY平台的X、Y两轴直线电机按照速度指令的方向及大小进行轮廓运动；

整流滤波电路把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。

步骤2中所述的利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，包括以下步骤：

步骤2-1、在二维平面内选择一个矩形区域，选择一个网格间距h及网格个数n，划定这个矩形区域的网格。

步骤2-2、求解每个网格点上的方向场向量，并利用方向场向量计算期望轨迹通过该网格点的速度V大小，其值为

$V=\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{dt})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{dt})}^2}$

其中：V为该网格点的速度；

x为Y轴上的量；

y为Y轴上的量；

t为时间。

步骤2-3、当轨迹不在网格点上时，其速度可以利用特殊插值方法通过相邻网格点的速度进行确定：

①当轨迹通过两个相邻网格点中间时，可以利用相邻两个网格点的速度v₁与v₂，按照下式计算

$\stackrel{\→}{V}=\left(\frac{v_1+v_2}{2}\right)\stackrel{\→}{i}+\left(\frac{v_1+v_2}{2}\right)\stackrel{\→}{j}$

其中，为该点速度向量；

v₁为相邻第一网格点的速度；

v₂为相邻第二网格点的速度；

②当轨迹通过四个网格点中间时，可由四个网格点上的X、Y轴的速度和按照下式计算

$\stackrel{\→}{V}={\stackrel{\→}{V}}_x+{\stackrel{\→}{V}}_y$

其中：为在X轴上的分量；

为在Y轴上的分量；

${\stackrel{\→}{V}}_x=(1-a)\left(\frac{v_{1x}+v_{2x}}{2}\right)+a\left(\frac{v_{3x}+v_{4x}}{2}\right)$

其中：v_1x与v_1y分别为在X轴与Y轴的分量，

v_2x与v_2y分别为在X轴与Y轴的分量；

v_3x与v_3y分别为在X轴与Y轴的分量，

v_4x与v_4y分别为在X轴与Y轴的分量；

α与β为常数；

${\stackrel{\→}{V}}_y=(1-\mathrm{\β})\left(\frac{v_{1y}+v_{3y}}{2}\right)+a\left(\frac{v_{2y}+v_{4y}}{2}\right)$

$\left\{\begin{array}{c}a=(x-x_1)/(x_2-x_1)\\ \mathrm{\β}=(y-y_1)/(y_2-y_1)\end{array}\right.$

其中：x₁、x₂与y₁、y₂分别为网格点的横纵坐标。

本发明优点：

本发明提出一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置及方法。本发明采用基于方向场理论的速度场控制器，使得给定轨迹路径完全转换为由速度场编码的轨迹，转换系统控制方式；基于速度前馈的IP控制减小速度误差，减小了系统外部扰动和参数变化等不确定因素，从而保证了系统的强鲁棒性能，提高轮廓加工精度。

附图说明

图1为本发明一种实施例基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置结构框图；

图2为本发明一种实施例DSP控制电路框图；

图3为本发明一种实施例DSP处理器及其部分外围电路原理图；

图4为本发明一种实施例静态存储器U3的电路原理图；

图5为本发明一种实施例模拟外扩口P2的电路原理图；

图6为本发明一种实施例外扩I/O口P1的电路原理图，

图7为本发明一种实施例U22及其外围电路原理图；

图8为本发明一种实施例U19及其外围电路原理图；

图9为本发明一种实施例U12及其外围电路原理图；

图10为本发明一种实施例的控制原理图；

图11为本发明一种实施例的轮廓误差曲线图；

图12为本发明基于方向场的直线电机直接驱动XY平台轮廓控制流程图；

图13为本发明一种实施例建立矩形区域选取网格点示意图；

图14为本发明一种实施例基于方向场理论建立速度场原理图；

图15为本发明一种实施例介于两网格点的实际轨迹速度向量图；

图16为本发明一种实施例介于四个网格点间的实际轨迹速度向量图；

图17为本发明一种实施例IP速度控制器控制原理图；

图18为本发明一种实施例控制流程图；

图19为本发明一种实施例保护中断处理流程图；

图20为本发明一种实施例T1中断处理流程图；

图21为本发明一种实施例所建构NURBS图形的速度场向量图；

图22为本发一种实施例明圆形轨迹的速度场模型图；

图23为本发明一种实施例四叶草轨迹的速度场模型图；

图24为本发明一种实施例潜水镜轨迹的速度场模型图；

图25为本发明一种实施例基于方向场的直线电机直接驱动XY平台轮廓误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明。

一种基于方向场的直线电机直接驱动XY平台轮廓控制装置，如图1所示，该装置包括交流调压单元、电压调整电路、整流滤波单元、IPM逆变单元、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流采样电路、位置采样电路和IPM隔离驱动保护电路，所述的数字信号处理器DSP内还设置NURBS插补器、速度场控制器、IP控制器和积分器。

交流电压（如220VAC）输入交流调压单元，交流调压单元输出信号至整流滤波单元的输入端，整流滤波单元的输出端将滤波后的信号发送至IPM逆变单元的第一输入端，IPM逆变单元的输出信号驱动直线电机，直线电机机身装有光栅尺，光栅尺连接位置采样电路输入端，霍尔传感器采集直线电机电流信号，霍尔传感器的输出端将电流信号发送至电流采样电路输入端，电流采样电路输出端和位置采样电路输出端均接入数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP信号输出端连接电压调整电路输入端和IPM隔离驱动保护电路输入端，电压调整电路对交流电压进行调整，IPM隔离驱动保护电路输出端连接IPM逆变单元第二输入端，控制IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断，驱动直线电机运行。

图2为本发明一种实施例控制电路框图，本发明实施例中DSP采用TMS320LF2407处理器，采用LF2407评估板，EVM板主要的接口包括目标只读存储器、模拟接口、CAN接口、串行引导ROM、用户指示灯和开关、RS232接口、SPI数据接口和扩展接口。DSP控制电路还包括电源、晶振、JTAG接口、128K字长无延迟静态存储器、模拟外扩接口、脉宽调制外扩接口。

LF2407评估板及外围电路的连接如图3～9所示：TMS320LF2407的地址总线A0-A15依次连接静态存储器U3（如图4所示）的地址总线A0～A15。TMS320LF2407的数据总线D0～D15依次接U3的数据总线D0～D15。TMS320LF2407的读写使能管脚89接U3的17管脚。TMS320LF2407的模数转换管脚ADCIN0～ADCIN15分别接模拟外扩口P2（如图5所示）的ADCIN0～ADCIN15管脚。TMS320LF2407事件管理器的PWM接口56、54、52、47、44、40、65、62、59、55、46、38分别与外扩到P1（如图6所示）的3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14管脚。TMS320LF2407的123管脚外接15M晶振U22（如图7所示）的1管脚。TMS320LF2407的模拟参考电源管脚116、117分别接U19（如图8所示）的4和11管脚。TMS320LF2812的数字参考电源管脚29、50、85、129、4、42、67、77、95、141并接3.3V电压源模块U12（如图9所示）的17、18和19管脚。TMS320LF2812的28、49、86、128、3、41、66、76、94、125、140管脚接地，并同时连接U12的9和10管脚。

图10为本发明一种实施例的控制原理图，其中，NURBS插补器作为产生XY平台加工轮廓轨迹的指令发生器，用于产生XY平台系统的位置指令信号；速度场控制器用于将NURBS插补器输出的位置指令信号转换为速度指令信号；IP控制器用于消除XY平台系统的各轴速度误差；直线电机模块为被控对象；积分器用于将直线电机模块输出的实际速度信号转换为XY平台系统实际的位置信号。

如图10所示，X轴和Y轴速度场控制器的输入信号为NURBS插补器给定的位置指令信号x_d1与x_d1，经过各轴速度场控制器后的输出速度信号与实际速度信号相比较后获得速度偏差，分别送入两轴的IP速度调节器，即IP调节器的输入信号为速度偏差给定信号，其后将所得信号送入直线电机模块P_x(s)、P_y(s)，直线电机模块的输出为实际速度信号，将实际速度信号反馈给速度场控制器，经反复调节后，最后经积分器所得的信号即为电机动子实际位置信号x₁与x₂。

目前在数控机床加工过程中在多轴同时作轨迹运动时，在轮廓加工中，任何沿指定轨迹法线方向上的偏差将直接影响工件的几何精度，各轴的跟踪误差不协调必然会反映到轨迹曲线轮廓上，形成轮廓误差。因此，系统运行时，X轴和Y轴受到任何负载扰动或者模型参数不确定都会影响轮廓误差。本发明实施例以XY平台双轴联动系统为研究对象，如图11所示，其中，L为轮廓误差曲线；P为实际位置；P*为参考位置；e为跟踪误差，即刀具的实际位置与指令位置之间的距离；跟踪误差在X轴和Y轴上的分量分别用e_x和e_y；ε为轮廓误差，即刀具的实际位置与轮廓曲线的最短距离。

本发明实施例采用方向场理论建立任意指令轨迹的速度场，利用IP控制方法减小两轴的速度误差并消除系统干扰。建立指令轨迹的速度场即将传统轮廓——跟踪控制方法转换为速度控制，而且由于速度场仅为位置函数，与时间无关，因此着重减小系统的轮廓误差而非跟踪误差。针对系统外部扰动或自身参数变化对轮廓轨迹的速度变化，本发明采用IP控制器进行调节。

基于方向场的直线电机直接驱动XY平台轮廓控制方法，图12为控制方法流程图，具体步骤包括：

步骤1：由数字信号处理器DSP内的NURBS插补器计算XY轴相应的电机动子位置指令坐标，作为XY平台控制系统的输入；

步骤2：利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，并将这个速度指令信号送入XY平台的控制系统；

步骤3：确定直线电机速度；

步骤4：通过光栅尺采样电机动子速度，在数字信号处理器DSP内比较后，执行IP控制器；

步骤5：数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动XY平台的X、Y两轴直线电机按照速度指令的方向及大小进行轮廓运动；

整流滤波电路把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。

步骤2中所述的利用方向场控制对NURBS的输出位置指令转化为各轴的速度指令，具体步骤包括：

步骤2-1、在二维平面内选择一个矩形区域，选择一个网格间距h及网格个数n，划定这个矩形区域的网格。

由于系统给定自由轮廓轨迹的多变性，不确定性以及瞬时性，因此，轮廓误差模型难于准确建立，因此所设计的轮廓控制器也无法实时减小系统轮廓误差。本发明实施例在直接驱动XY平台中加入基于方向场理论的速度场控制器后，使得给定轨迹路径完全转换为由速度场编码的轨迹，这种以速度场控制作用后的速度指令仅与位置有关而与时间无关，因此，在速度场控制器设计上只需直接减小系统轮廓误差而非跟踪误差。根据速度场的通式，利用NURBS插值器输出的任意自由轨迹为指令轨迹，图13为本发明一种实施例建立矩形区域选取网格点示意图。

其中，q(x,y)为封闭曲线XY平面内任意一点；NURBS曲线的插值点与q之间的最短距离向量为：

$\stackrel{\→}{d}=Q_q\left(u\right)-q---\left(1\right)$

其中，Q_q(u)为距离向量与封闭曲线相交的插值点；

u为曲线上的参数；

q点的速度场切向量可表示为：

${\stackrel{\stackrel{\→}{\·}}{Q}}_q={\stackrel{\→}{V}}_{Q_q}^f\left(u\right)---\left(2\right)$

其中：为q点的速度向量；

即q点处的速度向量重新写为：

$\stackrel{\→}{V}={\stackrel{\→}{V}}_{Q_q}^f\left(u\right)-\mathrm{\ξ}(q-Q_q\left(u\right))---\left(3\right)$

其中：ξ为常系数。

而对于线性或圆形曲线轨迹距离向量可由几何图形直接获得，而对于系统在执行NURBS任意轮廓加工任务时，由于轨迹复杂且时变，距离向量的计算很难，所以十分难于建立此类轨迹的速度场，因此，本发明实施例应用方向场理论，以网格点方式建立任意轨迹的速度场。

其建立过程如下：

对于一般微分方程式可表示为：

$y^{\′}=\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=f(x,y)---\left(4\right)$

其中，f(x,y)包括自变量x与未知函数y。

对此微分方程式两边积分后得到：

y(x)=∫f(x,y)dx+c     (5)

其中，c表示一个常数。

由式(5)可知，由于等号右面积分项包含未知函数y，因此无法直接求得微分方程的解，根据数学家尤拉提出的方向场理论，可以避开直接求解方式，而利用图形求得微分方程的解，也就是利用方向场图形代替微分方程(4)的解，图14为本发明一种实施例基于方向场理论建立速度场原理图。方向场由网格点与直线段组成，且限定在一个矩形范围内，其x轴与y轴的范围区间为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0\≤x\≤x_n\\ y_0\≤y\≤y_n\end{array}\right.---\left(6\right)$

微分方程式的初值点必须落在矩形范围内，在上述矩形区域内定义每个网格点为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}=x_i+h\\ y_{i+1}=y_i+h\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，i=0,1,...n，h为两个网格点之间的距离；

h为网格间距；

n为网格点的个数。

按照微分方程切线斜率y′=f(x,y)，根据尤拉计算方法，能够计算每个网格点上以点(x_i,y_i)为中心的直线段：

y(x)=y_i+m(x-x_i)             (8)

其中，m=y′(x_i)为直线段的斜率。

根据方向场初值问题的存在唯一定理可充分证明每个网格点上有且仅有一条直线段，即经过网格点的曲线只有一条。因此，对于给予初值问题的微分方程都能够通过方向场沿着每个直线段箭头的方向来描述曲线，并且当网格点间距越小，其所描述曲线越逼近微分方程解所表示的曲线。

步骤2-2、求解每个网格点上的方向场向量，并利用方向场向量计算期望轨迹通过该网格点的速度V大小，其值为

$V=\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{dt})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{dt})}^2}$

其中：V为该网格点的速度；

x为Y轴上的量；

y为Y轴上的量；

t为时间。

步骤2-3、当轨迹不在网格点上时，其速度可以利用特殊插值方法通过相邻网格点的速度进行确定：

根据方向场理论就可以计算网格点上的速度向量以建构自由曲线的速度场。但是，当实际轨迹不在网格点上时，必须利用相邻网格点的速度向量结合插值方式求出该位置的速度向量，具体方法如下：

1）当实际轨迹在相邻两个网格点中间时，如图15所示，其速度向量计算为

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{v_{1x}+v_{2x}}{2}\\ \frac{v_{1y}+v_{2y}}{2}\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中：V_x为V在X轴上的分量；

V_y为V在Y轴上的分量；

v_1x与v_1y分别为在X轴与Y轴的分量；

v_2x与v_2y分别为在X轴与Y轴的分量。

2）当实际轨迹在相邻四个网格点之间时，如图16所示，其速度向量计算为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(1-a)\left(\frac{v_{1x}+v_{2x}}{2}\right)+a\left(\frac{v_{3x}+v_{4x}}{2}\right)\\ (1-\mathrm{\β})\left(\frac{v_{1y}+v_{3y}}{2}\right)+\mathrm{\β}(\frac{v_{2y}+v_{4y}}{2}\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中：v_3x与v_3y分别为在X轴与Y轴的分量；

v_4x与v_4y分别为在X轴与Y轴的分量；

α与β为常数。

可计算为：

$\left\{\begin{array}{c}a=(x-x_1)/(x_2-x_1)\\ \mathrm{\β}=(y-y_1)/(y_2-y_1)\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中：x₁、x₂与y₁、y₂分别为网格点的横纵坐标。

由于PMLSM（永磁直线同步电动机）存在很多外部扰动，为了减小或消除各种扰动，采用IP速度控制器与前馈控制相结合的复合控制器，加入速度前馈控制器，增强整个系统的快速响应能力。IP速度控制增强扰动抑制能力，提高系统的响应速度，速度控制器包含一个比例环节和一个对速度误差信号的积分环节，将速度调节器设计为局部反馈校正环节，先对实际的速度信号进行比例处理，再对速度指令与实际的速度信号的偏差进行积分处理，二者相加的结果作为电流指令，这样可以得到更好的控制效果。局部反馈校正的优点在于：其一，加入局部反馈环节的系统对于被控对象参数的摄动的敏感度低；其二，加入局部反馈环节的系统对扰动的敏感度低。因为局部反馈在系统内形成了一个局部闭环回路，即内环回路，作用在这个内环回路上的各种扰动，受到局部闭环负反馈的影响，往往被削弱。图17为本发明一种实施例IP速度控制器控制原理图。其中，k_vp为IP速度比例增益；k_vi为IP速度积分增益；W_v(s)为速度环固有部分的传递函数。

基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制方法最终由嵌入控制电路DSP处理器中的控制程序实现，图18为程序流程图，其控制过程按以下步骤执行：

步骤1、系统初始化；

步骤2、电机转子初始化；

步骤3、允许INT1,INT2中断；

步骤4、启动T1下溢中断；

步骤5、中断等待；

步骤6、T1中断处理；

步骤7、保护中断处理；

步骤8、结束。

步骤7中保护中断处理过程按以下步骤执行，图19为保护中断处理子程序流程图：

步骤7-1、禁止所有中断；

步骤7-2、封锁IPM；

步骤7-3、中断返回。

步骤6中T1中断处理过程按以下步骤执行，图20为T1中断处理子程序流程图；

步骤6-1、保护现场；

步骤6-2、XY轴位置采样，获得两轴位置输入信号；

步骤6-3、调用速度场控制器，获得速度输入信号；

步骤6-4、转速采样，经由给定速度信号与输出信号比较后分别获得XY轴的转速偏差，若转速偏差大于1μm，则执行步骤6-5；若转速偏差小于1μm，则执行步骤6-6；

步骤6-5、将转速偏差送入XY轴速度IP控制器进行调节；

步骤6-6、XY轴电流采样；

步骤6-7、分别对XY轴电流值进行坐标3S/2R（两相变三相）变换；

步骤6-8、获得XY轴电机推力；

步骤6-9、经比较获得推力偏差作为电流调节器的输入信号；

步骤6-10、电流调节器进行电流调节；

步骤6-11、对控制器输出电流值进行坐标2R/3S（两相变三相）变换；

步骤6-12、用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得PWM信号；

步骤6-13、恢复现场；

步骤6-14、中断返回。

为了验证所提出的以方向场方法建构速度场控制的有效性及正确性，采用Matlab软件对速度向量场构建方法进行理论性仿真，然后利用LM22-26系列直接驱动XY实验平台针对仿真结果进行实验验证。其实验参数如下表所示。

表1实验参数

由NURBS参数式曲线模型，选取权重值、控制点与节点向量，分别建立两种以NURBS参数式描述的圆形轨迹与四叶草轨迹并将其作为系统的指令轨迹。本发明实施例中系统两轴速度控制器C_v1与C_v2采用IP控制方式，C_v1的积分、比例增益分别为1500、2，C_v2的积分、比例增益分别为2000、5.8，速度向量场网格点的间距选取为2mm，经过反复调节，根据最短距离D_m的不同，四叶草轨迹的速度向量场可按照下式进行建构：

$\left\{\begin{array}{cc}0<D_m<3\mathrm{mm}& \stackrel{\&RightArrow;}{V}={\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_Q\left(u\right)-(q-Q\left(u\right))\\ D_m>3\mathrm{mm}& \stackrel{\&RightArrow;}{V}=0.8\&times;e^{-0.2D_m}\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_Q\left(u\right)-0.6\&times;(q-Q\left(u\right))\\ D_m=0& \stackrel{\&RightArrow;}{V}={\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_Q\left(u\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中，D_m为最短距离；

如图21为本发明一种实施例所建构NURBS图形的速度场向量图。图22～24为利用本发明所提出的方向场方法建构的三种不同轨迹的速度场曲线，图25为本发明利用速度场控制对XY平台进行轨迹规划结合IP控制最终的轮廓误差曲线，由图中可以看到，在基于速度场和IP控制作用下实际输出轨迹与指令轨迹基本重合，轮廓误差保持在-2μm～2μm之间，保证了系统具有较高的轮廓精度。

Claims (3)

1.一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置，该装置包括交流调压单元、电压调整电路、整流滤波单元、IPM逆变单元、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流采样电路、位置采样电路和IPM隔离驱动保护电路，其特征在于：所述的数字信号处理器DSP内还设置有NURBS插补器、速度场控制器、IP控制器和积分器；

所述的数字信号处理器DSP内部NURBS插补器作为产生XY平台加工轮廓轨迹的指令发生器，用于产生XY平台系统的电机动子位置指令信号；速度场控制器用于将NURBS插补器输出的位置指令信号转换为速度指令信号；IP控制器用于消除XY平台系统的X、Y轴速度误差；积分器用于将直线电机模块输出的实际速度信号转换为XY平台系统实际的电机动子位置信号。

2.采用权利要求1所述的基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置进行轮廓加工的方法，其特征在于：包括步骤如下：

步骤1：由数字信号处理器DSP内的NURBS插补器计算XY轴相应的电机动子位置坐标，作为XY平台控制系统的输入；

步骤2：利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，并将这个速度指令信号送入XY平台的控制系统；

步骤3：确定直线电机速度；

步骤4：通过光栅尺采样电机动子速度，在数字信号处理器DSP内比较后，执行IP控制器；

步骤5：数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动XY平台的X、Y两轴直线电机按照速度指令的方向及大小进行轮廓运动；

整流滤波电路把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。

3.根据权利要求2所述的基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置进行轮廓加工的方法，其特征在于：步骤2中所述的利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，包括以下步骤：

步骤2-1、在二维平面内选择一个矩形区域，选择一个网格间距h及网格个数n，划定这个矩形区域的网格；

步骤2-2、求解每个网格点上的方向场向量，并利用方向场向量计算期望轨迹通过该网格点的速度V大小，其值为

$V=\sqrt{{(\mathrm{dx}/\mathrm{dt})}^2+{(\mathrm{dy}/\mathrm{dt})}^2}$

其中：V为该网格点的速度；

x为Y轴上的量；

y为Y轴上的量；

t为时间；

步骤2-3、当轨迹不在网格点上时，其速度可以利用特殊插值方法通过相邻网格点的速度进行确定：

①当轨迹通过两个相邻网格点中间时，可以利用相邻两个网格点的速度v₁与v₂，按照下式计算

$\stackrel{\&RightArrow;}{V}=\left(\frac{v_1+v_2}{2}\right)\stackrel{\&RightArrow;}{i}+\left(\frac{v_1+v_2}{2}\right)\stackrel{\&RightArrow;}{j}$

其中，为该点速度向量；

v₁为相邻第一网格点的速度；

v₂为相邻第二网格点的速度；

②当轨迹通过四个网格点中间时，可由四个网格点上的X、Y轴的速度和按照下式计算

$\stackrel{\&RightArrow;}{V}={\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_x+{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_y$

其中：为在X轴上的分量；

为在Y轴上的分量；

${\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_x=(1-a)\left(\frac{v_{1x}+v_{2x}}{2}\right)+a\left(\frac{v_{3x}+v_{4x}}{2}\right)$

其中：v_1x与v_1y分别为在X轴与Y轴的分量，

v_2x与v_2y分别为在X轴与Y轴的分量；

v_3x与v_3y分别为在X轴与Y轴的分量，

v_4x与v_4y分别为在X轴与Y轴的分量；

α与β为常数；

${\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_y=(1-\mathrm{\&beta;})\left(\frac{v_{1y}+v_{3y}}{2}\right)+a\left(\frac{v_{2y}+v_{4y}}{2}\right)$

$\left\{\begin{array}{c}a=(x-x_1)/(x_2-x_1)\\ \mathrm{\&beta;}=(y-y_1)/(y_2-y_1)\end{array}\right.$

其中：x₁、x₂与y₁、y₂分别为网格点的横纵坐标。