CN104834219A - 一种基于经验模态分解的pmlsm驱动xy平台控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法及系统，方法包括PMLSM驱动XY平台运动过程中实时进行电流采样和位置采样；生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号；PMLSM驱动XY平台根据PWM信号进行工作：对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制。系统包括主电路和控制电路：主电路的输入端连接220V交流电，主电路的输出端连接PMLSM驱动XY平台的三相输入端；控制电路的位置采样输入端连接PMLSM驱动XY平台的光栅尺，控制电路的电流采样输入端连接驱动XY平台的PMLSM的A相输入端及B相输入端。本发明以PMLSM驱动XY平台为被控对象，以跟踪误差信息为基础，利用经验模态分解方法对其进行分析，筛选并消除影响迭代学习收敛性的分量，提高系统的收敛速度，从而改善跟踪误差。

Description

一种基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法及系统

技术领域

本发明属于数控加工技术控制领域，具体是一种基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法及系统。

背景技术

制造业对于保障国家安全，保证国民经济高速增长有着重要的作用。随着数字技术的发展，机床技术已经进入到了以数字化为核心的机电一体化时代。目前数控机床已经成为现代先进制造技术中最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品。在计算机软硬件、刀具等机械结构和其他相关技术的进步下，数控技术日益发展，对其驱动系统性能的要求也逐渐提高。国外高档数控机床最快进给速度达到了60m/min，普通数控机床的加工精度已经由0.01mm提高到了0.005mm，甚至有些已经达到了纳米级别。因此，高速度、高精度、高效率和智能化已经成为数控机床伺服驱动系统的主要发展趋势。

与传统的旋转电机相比，由直线电机驱动的运动系统不需要任何中间机械传动部分就可以实现直接驱动，能够消除机械传动部分带来的一系列问题，使高速度、高精度位置加工成为可能。20世纪中期以来，对直线电机研究有了长足的进步，其中由于永磁直线同步电机PMLSM(permanent magnet linear synchronous motor)具有精度高、响应快、损耗低、推力大等优点，因此在提升系统、工业机器人、往复伺服系统、电子制造装备和高速高精度数控机床等方面具有广泛的应用。在运动控制中，由PMLSM驱动XY平台是常见的伺服驱动机构。虽然PMLSM实现了“零传动”，但是其特有的端部效应会增加系统的扰动，没有了中间装置的缓冲过程，使外部扰动更直接地影响输出，因此在一定程度上增加了其控制的难度。

经典的PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))控制方法简单、鲁棒性较好、控制器设计方便，对于一般精度而言，能够很好地满足要求。但是不能够有效消除PMLSM驱动的数控机床中出现的周期性扰动，很难保证控制精度。因此需要引入先进的控制方法，实现高精度控制。对于重复运行的系统，一般控制器在每次运行时都会得到相当丰富的跟踪误差信息，但不会加以利用。迭代学习控制(iterative learning control，简称ILC)能够充分利用先前的控制信息，通过多次迭代，提高系统的运行性能。

ILC是一种智能控制方法，主要针对具有重复性或周期性的被控对象，具有严格的数学描述，完善的理论体系，不完全依赖于系统的精确模型，能够控制非线性系统。经过30年的发展，ILC的研究主要包括学习律的设计、鲁棒性、收敛性的分析、收敛速度问题等方面。ILC要求系统在每次迭代时的初态与期望轨迹的初态保持一致，但在实际运行时，系统受到的扰动往往使两者不一致，产生初始定位误差。当系统重复运行时，系统的稳定性会因初始定位误差的累加受到影响，甚至导致系统发散。因此如何解决ILC存在的初始值问题、提高收敛速度、选择合适的收敛性分析方法仍然是值得研究的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法及系统。

本发明的技术方案是：

一种基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法，包括以下步骤：

步骤1：PMLSM驱动XY平台运动过程中实时进行电流采样和位置采样；

步骤2：DSP处理器根据当前时刻的电流采样数据和位置采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号；

步骤2-1：根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制：将期望位置与位置采样数据做差后，得到位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

步骤2-2：根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行PI速度控制：将位置采样数据微分后，得到实际速度，再将步骤2-1所得的期望速度与实际速度做差后，经PI计算后得到速度偏差，得到期望电流；

步骤2-3：根据电流采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号：将步骤2-2所得的期望电流作2/3变换，再将变换结果与电流采样数据做差后，得到驱动IPM逆变单元的PWM信号，执行步骤3；

步骤3：PMLSM驱动XY平台根据PWM信号进行工作：IPM逆变单元根据步骤2-3所得的PWM信号，使PMLSM驱动XY平台进行工作，PMLSM驱动XY平台运动过程中实时进行电流采样和位置采样；

步骤4：根据步骤3的位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：根据步骤3的位置采样数据和EMD计算非理想位置偏差，再经ILC计算后得到期望速度，返回步骤2-2。

所述的PMLSM驱动XY平台控制方法所采用的PMLSM驱动XY平台控制系统，包括：

用于将220V交流电转换成驱动PMLSM的三相交流电的主电路；

用于根据电流采样信号和位置采样信号对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制的控制电路：

主电路的输入端连接220V交流电，主电路的输出端连接PMLSM驱动XY平台的三相输入端；控制电路的位置采样输入端连接PMLSM驱动XY平台的光栅尺，控制电路的电流采样输入端连接驱动XY平台的PMLSM的A相输入端及B相输入端。

所述主电路包括调压模块、整流滤波单元和IPM逆变单元；

调压模块的输入端连接220V交流电，调压模块的输出端连接整流滤波单元的输入端，整流滤波单元的输出端连接IPM逆变单元的输入端，IPM逆变单元的输出端分别连接PMLSM驱动XY平台的三相输入端。

所述控制电路包括：

用于通过光栅尺采集PMLSM驱动XY平台位置信号的位置采样电路；

用于采集PMLSM驱动XY平台A相输入电流信号和B相输入电流信号的霍尔电流传感器；

用于将霍尔电流传感器的采样信号转换成0～3V的电平信号的电流采样电路；

用于根据电流采样信号和位置采样信号对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制的DSP处理器；

用于根据DSP处理器在ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制时生成的不同PWM信号驱动IPM逆变单元工作和保护IPM逆变单元的IPM隔离驱动保护电路；

位置采样电路连接PMLSM驱动XY平台的光栅尺；霍尔电流传感器连接驱动XY平台的PMLSM的A相输入端及B相输入端；霍尔电流传感器的输出端连接电流采样电路的输入端，电流采样电路的输出端、位置采样电路的输出端分别连接DSP处理器的输入端，DSP处理器的输出端连接IPM隔离驱动保护电路的输入端，IPM隔离驱动保护电路的输出端连接IPM逆变单元的控制输入端。

所述DSP处理器包括ILC位置控制模块、PI速度控制模块、PWM信号生成模块和EMD-ILC位置控制模块；

ILC位置控制模块，根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制：将期望位置与位置采样数据做差后，得到位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

PI速度控制模块，根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行PI速度控制：将位置采样数据微分后，得到实际速度，再将ILC位置控制模块所得的期望速度与实际速度做差后，经PI计算后得到速度偏差，得到期望电流；

PWM信号生成模块，根据电流采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号：将PI速度控制模块所得的期望电流作2/3变换，再将变换结果与电流采样数据做差后，得到驱动IPM逆变单元的PWM信号；

EMD-ILC位置控制模块，根据下一时刻的位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：根据位置采样数据和EMD计算非理想位置偏差，再经ILC计算后得到期望速度，并调用PI速度控制模块。

有益效果：

本发明以PMLSM驱动的XY平台伺服机构为被控对象，先利用迭代学习(ILC)位置控制器获得每次迭代过程中的跟踪误差，以这些跟踪误差信息为基础，利用经验模态分解(EMD)方法对其进行分析，筛选并消除影响迭代学习收敛性的分量。然后利用EMD-ILC位置控制器重新运行系统，正是基于这种方法，来保证系统的收敛性，提高系统的收敛速度。速度回路则使用传统的PI控制器，就可以有效地克服扰动。保证PMLSM驱动XY平台迭代学习控制过程的收敛性，提高迭代学习过程的速度，从而改善跟踪误差。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制原理框图；

图2是本发明具体实施方式的ILC位置控制原理框图；

图3是本发明具体实施方式的EMD方法筛选IMF过程示意图；

图4是本发明具体实施方式的EMD方法的流程图；

图5是本发明具体实施方式的PI速度控制原理图；

图6是本发明具体实施方式的PMLSM驱动XY平台控制系统结构框图；

图7是本发明具体实施方式跟踪的四角星形轨迹；

图8是本发明具体实施方式DSP处理器的控制流程图；

图9是本发明具体实施方式保护中断处理的流程图；

图10是本发明具体实施方式T1中断处理的流程图；

图11是本发明具体实施方式PMLSM驱动XY平台控制系统硬件电路原理图；其中，(a)为主电路原理图；(b)为A、B相电流采样电路原理图；(c)为位置信号采样电路原理图；(d)为IPM隔离驱动保护电路原理图；

图12是本发明具体实施方式的基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做详细说明。

本实施方式的基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制原理如图1所示，包括ILC、EMD-ILC位置控制器、PI速度控制器和被控对象四部分。其中ILC位置控制器用以获得理想的控制输入信号，使被控对象在有限时间和区间内输出高精度的跟踪轨迹；EMD-ILC位置控制器用以消除迭代学习过程中发散的跟踪误差信号分量，保证迭代学习过程的收敛性，提高迭代学习过程的收敛速度；PI速度控制器用以有效地克服扰动，改善速度回路的响应特性；被控对象为PMLSM驱动XY平台。系统的输入信号分别为X轴的位置指令、Y轴的位置指令，首先使用ILC位置控制器，将各轴的位置指令与反馈位置信号比较后，送入ILC位置控制器，经过ILC位置控制器的输出信号与反馈速度信号比较后送入PI速度控制器，经过PI速度控制器分别得到理想的控制输入信号送入被控对象。然后使用EMD-ILC位置控制器代替ILC位置控制器，重复上述步骤。

一种基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法，如图12所示，包括以下步骤：

步骤1：PMLSM驱动XY平台运动过程中实时进行电流采样和位置采样；

步骤2：DSP处理器根据当前时刻的电流采样数据和位置采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号；

步骤2-1：根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制：将期望位置与位置采样数据做差后，得到位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

ILC位置控制实质上是一种前馈控制，主要针对于具有周期性或重复性的系统，利用每次的输出误差信号和控制输入信号修正并形成下次的控制输入信号，这样重复地运行系统，使每次输出的误差不断减小，使实际输出不断接近期望输出。

ILC位置控制原理如图2所示。图中所有的信号都定义在有限区间t∈[0,T]上，下标j表示第j次迭代，y_d(t)为被控对象的期望输出，y_j(t)为第j次迭代的实际输出，e_j(t)＝y_d(t)-y_j(t)为第j次迭代的输出误差。ILC控制器即第j+1次迭代的控制输入一般可以表示为：

u_j+1(t)＝L[u_j(t),e_j(t)]

式中：L(·)为学习律函数。常见的学习律有PID型学习律、最优学习律、反馈-前馈学习律、自适应学习律、高阶学习律和离散系统学习律等。选择合适的学习律使得当迭代次数j→∞时，y_j(t)→y_d(t)。F_Lx、F_Ly分别为被控对象受到的干扰。

本实施方式选择闭环PID型学习律的ILC位置控制器为：

$u_{j+1}\left(t\right)=u_j\left(t\right)+\mathrm{\α}{e}_{j+1}\left(t\right)+\mathrm{\β}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{e}_{j+1}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+\mathrm{\γ}{\stackrel{\·}{e}}_{j+1}\left(t\right)$

式中：α、β、γ分别为比例的学习增益矩阵、积分的学习增益矩阵、微分的学习增益矩阵。

步骤2-2：根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行PI速度控制：将位置采样数据微分后，得到实际速度，再将步骤2-1所得的期望速度与实际速度做差后，经PI计算后得到速度偏差，得到期望电流；

PI速度控制原理如图5所示，图中输出信号u(t)与输入偏差e(t)的关系如下式所示：

$u\left(t\right)=K_{P}e\left(t\right)+K_I\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

式中：K_P为可调比例系数；K_I为可调积分系数。在PI控制器中，积分控制规律能够消除系统的稳态误差，从而有效地克服系统扰动。

将PI控制器设计在速度环中，将经过ILC位置控制器的输出信号与反馈速度信号的比较结果作为PI速度控制器的输入偏差e(t)，PI速度控制器的输出信号u(t)作为控制输入信号送入被控对象。

步骤2-3：根据电流采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号：将步骤2-2所得的期望电流作2/3变换，再将变换结果与电流采样数据做差后，得到驱动IPM逆变单元的PWM信号，执行步骤3；

步骤3：PMLSM驱动XY平台根据PWM信号进行工作：IPM逆变单元根据步骤2-3所得的PWM信号，使PMLSM驱动XY平台进行工作，PMLSM驱动XY平台运动过程中实时进行电流采样和位置采样；

步骤4：根据步骤3的位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：根据步骤3的位置采样数据和EMD计算非理想位置偏差，再经ILC计算后得到期望速度，返回步骤2-2。

步骤4-1：对PMLSM驱动XY平台进行EMD位置控制：将期望位置与步骤3的位置采样数据做差后，得到位置偏差，经EMD计算后得到非理想位置偏差；

步骤4-2：对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：将步骤4-1的位置偏差与非理想位置偏差做差后，得到理想位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

步骤4-3：返回步骤2-2。

经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)是一种处理信号的方法，它假设任何复杂的时序信号都是由若干个互不相同的、简单非正弦函数，即固有模态函数(intrinsic modefunction，IMF)组成的，每个IMF必须满足以下两个条件：

1、在任何时间点上，它的局部最大值包络(上包络线)和局部最小值包络(下包络线)的均值必须为零；

2、函数整个时间范围内，极值点和过零点的数量必须相等，或最多相差一个。

EMD方法筛选IMF过程如图3所示，从图中可以看出，每一次筛选都将筛选出一个IMF，对筛选剩下的信号重新进行筛选。最后，当筛选全部结束后，原始信号x(t)可以表示为：

$x\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i\left(t\right)+r_n\left(t\right)$

EMD方法的流程图如图4所示，包括以下步骤：

1、寻找原始输入信号x(t)的所有局部极大值点和所有局部极小值点；

2、通过某种方法(比如三次样条插值)拟合极值点，得到上包络线x_max(t)和下包络线x_min(t)，使得x(t)满足：

x_min(t)≤x(t)≤x_max(t)，t∈[t_a,t_b]

3、得到x(t)的上包络线x_max(t)和下包络线x_min(t)的均值：

$m_{11}\left(t\right)=\frac{x_{\max }\left(t\right)+x_{\min }\left(t\right)}{2}$

4、提取信号的局部细节信息h₁₁(t)：

h₁₁(t)＝x(t)-m₁₁(t)

5、检查h₁₁(t)是否满足IMF定义中的条件，如果满足，则其为原始信号分离出的第一个IMF，即c₁(t)＝h₁₁(t)；如果不满足，那么将h₁₁(t)看作原始信号，继续以上步骤，直到满足定义。由于h_1k(t)满足IMF的定义，那么h_1k(t)为分离出的第一个IMF分量，即：

c₁(t)＝h_1k(t)

6、从原始信号x(t)中减去c₁(t)，得到一个新信号r₁(t)，即：

r₁(t)＝x(t)-c₁(t)

7、检查r₁(t)是否是单调函数或为常量，若是，则分解结束；若不是，则将r₁(t)看作原始信号，重复上述步骤，则可以得到c₂(t)、c₃(t)……c_n(t)。直到r_n(t)满足条件时，EMD分解结束。其中r_n(t)为残余分量，表示原始信号的趋势信息。

本实施方式将迭代过程中记录的各轴的跟踪误差e_xj(t)分别作为原始信号x(t)，进行EMD分解，分解后能够得到：

$e_{x_j}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{x_{j_i}}\left(t\right)+r_{x_{j_n}}\left(t\right)$

$e_{y_j}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{y_{j_i}}\left(t\right)+r_{y_{j_n}}\left(t\right)$

分别分析迭代过程中各轴跟踪误差的分解结果，筛选出随迭代过程发散的若干分量并将其消除。

上述PMLSM驱动XY平台控制方法所采用的PMLSM驱动XY平台控制系统，如图6所示，包括：

用于将220V交流电转换成驱动PMLSM的三相交流电的主电路；

用于根据电流采样信号和位置采样信号对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制的控制电路：

主电路的输入端连接220V交流电，主电路的输出端连接PMLSM驱动XY平台的三相输入端；控制电路的位置采样输入端连接PMLSM驱动XY平台的光栅尺，控制电路的电流采样输入端连接驱动XY平台的PMLSM的A相输入端及B相输入端。

主电路如图11(a)所示，包括调压模块、整流滤波单元和IPM逆变单元；

调压模块的输入端连接220V交流电，调压模块的输出端连接整流滤波单元的输入端，整流滤波单元的输出端连接IPM逆变单元的输入端，IPM逆变单元的输出端分别连接PMLSM驱动XY平台的三相输入端。

调压模块采用三相智能调压模块EUV-25A-II，可实现0～220的隔离调压。整流滤波单元采用桥式不可控整流，大电容滤波，配合适当的阻容吸收电路，可获得IPM逆变单元工作所需的恒定直流电压。IPM逆变单元采用富士公司的6MBP50RA060智能功率模块，它的耐压为600V，最大电流为50A，最高工作频率为20kHz。IPM逆变单元采用四组独立的15V驱动电源供电。P、N为直流母线电压输入端，与整流滤波单元的输出端相连，P端为正，N端为负；B为放电端，与内部泄放管的集电极相连；U、V、W是三相逆变电压输出端。IPM逆变单元输出的三相交流电通过输出端子U、V、W接至PMLSM驱动XY平台。

控制电路包括：

用于通过光栅尺采集PMLSM驱动XY平台位置信号的位置采样电路；

用于采集PMLSM驱动XY平台A相输入电流信号和B相输入电流信号的霍尔电流传感器；

用于将霍尔电流传感器的采样信号转换成0～3V的电平信号的电流采样电路；

用于根据电流采样信号和位置采样信号对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制的DSP处理器；

用于根据DSP处理器在ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制时生成的不同PWM信号驱动IPM逆变单元工作和保护IPM逆变单元的IPM隔离驱动保护电路；

位置采样电路连接PMLSM驱动XY平台的光栅尺；霍尔电流传感器连接驱动XY平台的PMLSM的A相输入端及B相输入端；霍尔电流传感器的输出端连接电流采样电路的输入端，电流采样电路的输出端、位置采样电路的输出端分别连接DSP处理器的输入端，DSP处理器的输出端连接IPM隔离驱动保护电路的输入端，IPM隔离驱动保护电路的输出端连接IPM逆变单元的控制输入端。

PMLSM驱动XY平台的位置信号检测是实现其精密控制的重要因素。本实施方式采用英国RENISHAW公司的RGH24X系列光栅尺，它的分辨率为1um，最高速度可达到5m/s。将主尺安装在机床的工作台上，随机床走刀而动，将读数头固定在床身上。当PMLSM驱动XY平台运动时，安装好的读数头输出与位置信息有关的三路脉冲信号，包括两路用于检测位置信息的脉冲信号A和B，以及一路用于回零参考的信号Z。图11(b)为位置采样电路原理图。光栅尺输出的三路脉冲信号通过高速光耦合器6N137进行隔离。因为光栅尺输出的三路脉冲信号是5V的，而DSP处理器的I/O口电压是3.3V的，所以需要经过分压电路将信号由5V转换为3.3V。最后将转换后的脉冲信号A和B分别连接到DSP处理器的两路正交编码脉冲接口QEP1和QEP2，将转换后的脉冲信号Z连接到DPS的捕获单元CAP3。

PMLSM驱动XY平台的矢量控制系统中有电流反馈环，因此需要采样电机的电流信号。本实施方式采用两个CSM025PTS系列霍尔电流传感器检测A、B两相电流，它能采集的电流范围是-16A～+l6A，输出的电压范围是0～5V。因为霍尔电流传感器输出的电压范围是0～5V，而DSP处理器的A/D模块采样电压范围是0～3V，所以需要做适当的调整。图11(c)为电流采样电路原理图，采用运算放大器OP07GS，通过调节电阻VR1，可将信号调整到0～3V。放大器的电源接±15V电压，在电压和地间接去耦电容。电路输入端接电容滤波，以去除高频信号干扰，提高采样精度。最后将调整后的A、B两相电流分别连接到DSP处理器的AD0、AD1管脚。

图11(d)为IPM隔离驱动保护电路原理图，采用八单线驱动器74LS240，驱动器的输入端连接到DSP处理器的PWM模块，受DSP处理器控制。IPM逆变单元的故障输出端通过光电耦合器HCPL4506连接到DSP处理器的引脚，以确保IPM逆变单元发生故障时DPS及时将所有事件管理输出置为高阻态，DSP停止对驱动器输出PWM信号，从而保护IPM逆变单元。

控制电路的核心为DSP处理器，采用的DSP处理器为TMS320F2812，其配套的开发板包括目标只读存储器、模拟接口、eCAN接口、串行引导ROM、用户指示灯、复位电路、可配置为RS232/RS422/RS485的异步串口、SPI同步串口和片外256*16位RAM。

当PMLSM正常工作时，使能TMS320F2812芯片事件管理器EVA的正交编码脉冲电路和捕获单元CAP3，接收PMLSM的实际位置信息。使能TMS320F2812芯片的16通道A/D模块，接收控制PMLSM的实际电流信息。使能TMS320F2812芯片的PWM模块，输出PWM波，控制IPM逆变单元，从而实现对PMLSM驱动XY平台的控制。

将期望位置与检测所得的实际位置做差后，先调用ILC控制程序，再调用EMD-ILC控制程序，得到期望速度。将检测所得的实际位置微分后得到实际速度。将期望速度与计算所得的实际速度做差后，调用PI控制程序，得到的期望电流，并对其进行2/3变换。利用变换后的期望电流与检测所得的实际电流产生PWM波，输出给IPM隔离驱动保护电路。

将TMS320F2812芯片的引脚与IPM逆变单元的故障输出端相连接，保护和监控整个系统。一旦系统出现过压、过电流、欠电压等故障时，TMS320F2812芯片能够及时将引脚置为高阻态，封锁PWM输出信号，保护IPM单元。

DSP处理器包括ILC位置控制模块、PI速度控制模块、PWM信号生成模块和EMD-ILC位置控制模块；

本实施方式以跟踪如图7所示的四角星形轨迹为例。将被控对象即X、Y轴PMLSM的数学模型都设定为：

$\frac{V_x\left(s\right)}{U_x\left(s\right)}=\frac{V_y\left(s\right)}{U_y\left(s\right)}=\frac{25}{10s+1.2}$

ILC位置控制模块，根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制：将期望位置与位置采样数据做差后，得到位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

根据X、Y轴PMLSM的数学模型及理想输出轨迹，设定初始控制输入设置迭代次数K＝5。仿真采样周期为0.01s。

经过反复调试选择闭环PID型学习律的参数，分别设定X、Y轴的ILC位置控制器为：

$u_{\mathrm{xj}+1}\left(t\right)=u_j\left(t\right)+20e_{j+1}\left(t\right)+0.02\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{e}_{j+1}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+1{\stackrel{\·}{e}}_{j+1}\left(t\right)$

$u_{\mathrm{yj}+1}\left(t\right)=u_j\left(t\right)+20e_{j+1}\left(t\right)+0.01\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{e}_{j+1}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+0.5{\stackrel{\·}{e}}_{j+1}\left(t\right)$

ILC位置控制器设定后，在迭代过程中Y轴的跟踪误差出现不单调收敛的现象，这样就需要EMD-ILC位置控制器。

本实施方式中ILC位置控制器的运行包括以下步骤：

1、设置迭代次数，分别给定X、Y轴的期望输出x_d(t)、y_d(t)及初始控制输入u_x0(t)、

2、分别将控制输入u_xj(t)、加入到由PMLSM驱动的XY平台中，重复进行操作。同时记录各轴的实际输出x_j(t)、y_j(t)及跟踪误差e_xj(t)、

3、根据闭环PID型学习律，利用第j次迭代的控制输入及第j+1次迭代的跟踪误差分别计算各轴第j+1次迭代的控制输入u_xj+1(t)、

4、当迭代次数达到最大时，停止ILC位置控制器的运行，否则令j＝j+1重新执行步骤2。

PI速度控制模块，根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行PI速度控制：将位置采样数据微分后，得到实际速度，再将ILC位置控制模块所得的期望速度与实际速度做差后，经PI计算后得到速度偏差，得到期望电流；

PI速度控制器

根据经验，PI速度控制器参数分别选择为就可以有效地克服系统扰动。

PWM信号生成模块，根据电流采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号：将PI速度控制模块所得的期望电流作2/3变换，再将变换结果与电流采样数据做差后，得到驱动IPM逆变单元的PWM信号；

EMD-ILC位置控制模块，根据下一时刻的位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：将期望位置与该位置采样数据做差后，得到位置偏差，经EMD计算后得到期望速度，并调用PI速度控制模块。

分别将5次迭代过程中记录的Y轴的跟踪误差作为原始信号x(t)，进行EMD分解。分析各次迭代过程中Y轴跟踪误差的分解结果，发现其中第3个分量，即c₃(t)随着迭代逐渐增大，影响着迭代过程的收敛性和收敛速度，因此将其消除。将消除分量c₃(t)后的信号送回Y轴。

根据上述控制，在给定X、Y轴的期望输出x_d(t)＝cos³(t)、y_d(t)＝sin³(t)时，分别对“ILC位置控制模块+PI速度控制模块”和“EMD-ILC位置控制模块+PI速度控制模块”两种控制方式进行理论分析验证。通过比较两种控制方式下X、Y轴跟踪误差均方根的变化曲线，可以看出，与“ILC位置控制+PI速度控制”的控制方式相比，采用“EMD-ILC位置控制+PI速度控制”的控制方式更加能够保证系统的收敛性，提高收敛速度，减小各轴的跟踪误差。

控制电路的核心为TMS320LF2812DSP处理器，负责转换A/D转换、电机转速的计算、速度的PI调节和位置的ILC调节，最后得到电压空间矢量PWM的控制信号，驱动IPM逆变单元。DSP控制器还负责保护和监控整个系统，一旦系统出现过压、过电流、欠电压等故障，DSP将封锁PWM输出信号，以保护IPM逆变单元。

DSP处理器的控制流程如图8所示，包括以下步骤：

1、系统初始化；

2、DSP初始化；

3、允许INT1、INT2中断；

4、启动T1下溢中断；

5、中断等待；

6、T1中断处理；

7、保护中断处理；

8、结束。

其中，步骤6中保护中断处理如图9所示，包括以下步骤：

1、禁止所有中断；

2、封锁IPM；

3、中断返回。

步骤7中T1中断处理如图10所示，包括以下步骤：

1、保护现场；

2、位置采样，与给定值比较后获得位置偏差

3、调用位置的ILC控制程序

4、计算电机速度，与位置PI调节器输出信号比较后获得速度偏差

5、调用速度的PI控制程序

6、电流采样；

7、对电流采样值进行3/2变换；

8、利用q轴电流计算转矩；

9、对输出的电流进行2/3变换；

10、用变换得到的电流值作为载波与三角波调制获得PWM信号；

11、中断返回。

Claims (6)

1.一种基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：PMLSM驱动XY平台运动过程中实时进行电流采样和位置采样；

步骤2：DSP处理器根据当前时刻的电流采样数据和位置采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号；

步骤2-1：根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制：将期望位置与位置采样数据做差后，得到位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

步骤2-2：根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行PI速度控制：将位置采样数据微分后，得到实际速度，再将步骤2-1所得的期望速度与实际速度做差后，经PI计算后得到速度偏差，得到期望电流；

步骤2-3：根据电流采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号：将步骤2-2所得的期望电流作2/3变换，再将变换结果与电流采样数据做差后，得到驱动IPM逆变单元的PWM信号，执行步骤3；

步骤3：PMLSM驱动XY平台根据PWM信号进行工作：IPM逆变单元根据步骤2-3所得的PWM信号，使PMLSM驱动XY平台进行工作，PMLSM驱动XY平台运动过程中实时进行电流采样和位置采样；

步骤4：根据步骤3的位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：根据步骤3的位置采样数据和EMD计算非理想位置偏差，再经ILC计算后得到期望速度，返回步骤2-2。

2.根据权利要求1所述的基于经验模态分解的PMLSM驱动XY平台控制方法，其特征在于，所述步骤4按如下步骤进行：

步骤4-1：对PMLSM驱动XY平台进行EMD位置控制：将期望位置与步骤3的位置采样数据做差后，得到位置偏差，经EMD计算后得到非理想位置偏差；

步骤4-2：对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：将步骤4-1的位置偏差与非理想位置偏差做差后，得到理想位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

步骤4-3：返回步骤2-2。

3.权利要求1所述的PMLSM驱动XY平台控制方法所采用的PMLSM驱动XY平台控制系统，其特征在于，包括：

用于将220V交流电转换成驱动PMLSM的三相交流电的主电路；

用于根据电流采样信号和位置采样信号对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制的控制电路：

主电路的输入端连接220V交流电，主电路的输出端连接PMLSM驱动XY平台的三相输入端；控制电路的位置采样输入端连接PMLSM驱动XY平台的光栅尺，控制电路的电流采样输入端连接驱动XY平台的PMLSM的A相输入端及B相输入端。

4.根据权利要求3所述的PMLSM驱动XY平台控制系统，其特征在于，所述主电路包括调压模块、整流滤波单元和IPM逆变单元；

调压模块的输入端连接220V交流电，调压模块的输出端连接整流滤波单元的输入端，整流滤波单元的输出端连接IPM逆变单元的输入端，IPM逆变单元的输出端分别连接PMLSM驱动XY平台的三相输入端。

5.根据权利要求3所述的PMLSM驱动XY平台控制系统，其特征在于，所述控制电路包括：

用于通过光栅尺采集PMLSM驱动XY平台位置信号的位置采样电路；

用于采集PMLSM驱动XY平台A相输入电流信号和B相输入电流信号的霍尔电流传感器；

用于将霍尔电流传感器的采样信号转换成0～3V的电平信号的电流采样电路；

用于根据电流采样信号和位置采样信号对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制的DSP处理器；

用于根据DSP处理器在ILC位置控制、PI速度控制、EMD-ILC位置控制时生成的不同PWM信号驱动IPM逆变单元工作和保护IPM逆变单元的IPM隔离驱动保护电路；

位置采样电路连接PMLSM驱动XY平台的光栅尺；霍尔电流传感器连接驱动XY平台的PMLSM的A相输入端及B相输入端；霍尔电流传感器的输出端连接电流采样电路的输入端，电流采样电路的输出端、位置采样电路的输出端分别连接DSP处理器的输入端，DSP处理器的输出端连接IPM隔离驱动保护电路的输入端，IPM隔离驱动保护电路的输出端连接IPM逆变单元的控制输入端。

6.根据权利要求5所述的PMLSM驱动XY平台控制系统，其特征在于，所述DSP处理器包括ILC位置控制模块、PI速度控制模块、PWM信号生成模块和EMD-ILC位置控制模块；

ILC位置控制模块，根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行ILC位置控制：将期望位置与位置采样数据做差后，得到位置偏差，经ILC计算后得到期望速度；

PI速度控制模块，根据位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行PI速度控制：将位置采样数据微分后，得到实际速度，再将ILC位置控制模块所得的期望速度与实际速度做差后，经PI计算后得到速度偏差，得到期望电流；

PWM信号生成模块，根据电流采样数据生成对PMLSM驱动XY平台进行位置控制的PWM信号：将PI速度控制模块所得的期望电流作2/3变换，再将变换结果与电流采样数据做差后，得到驱动IPM逆变单元的PWM信号；

EMD-ILC位置控制模块，根据下一时刻的位置采样数据对PMLSM驱动XY平台进行EMD-ILC位置控制：根据位置采样数据和EMD计算非理想位置偏差，再经ILC计算后得到期望速度，并调用PI速度控制模块。