CN105022347B - 动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法 - Google Patents

动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械精密制造技术领域，具体涉及动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，包括以下步骤：运动控制指令输入给宏运动控制器，生成运动规划曲线；宏动控制系统以开环或者半闭环形式控制执行器驱动宏动平台产生宏位移；运动检测装置检测宏动平台的位移信息，采用全闭环控制方式的微动控制系统将位移信息经反馈环节与输入位移信息进行比较，生成位移偏差信号；微运动控制器根据位移偏差信号生成对微动平台的控制信息，并对宏动平台的运动误差进行补偿。本发明通过以上方法，实现了大量程高速高精度的宏微平台定位，宏、微动控制系统相互隔离解耦，降低了控制系统的复杂度与成本，提高了整体控制系统的稳健性和可靠度。

Description

动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法
技术领域
本发明涉及机械精密制造技术领域，本发明具体涉及动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法。
背景技术
宏微复合运动平台是一种将低精度大行程宏动平台与高精度小行程微动平台进行复合以实现大行程高精密进给的运动平台。宏微复合运动平台存在的一大技术问题为：宏动平台与微动平台之间的协调控制。
目前，常见的宏微动平台的控制方案主要为采用粗运动和精运动的双闭环反馈双驱动方案，具体为：采用宏微二级平台切换控制方法，控制器首先令宏动平台运动至指定位置，当满足一定的切换条件时，控制器开始对微动平台进行控制来补偿宏动平台的运动误差以实现高定位精度。在上述宏微双闭环反馈控制方案中，宏、微动控制系统中的位移反馈信息为平台的低频刚体位移和高频弹性振动位移的叠加。由于结构与驱动器的不同，宏动平台的响应速度低于微动平台，从而导致包含高频响应速度微动平台的微动控制系统对实际位移与输入位移之间的偏差响应速度高于宏动控制系统。宏、闭环微动控制系统对实际位移与输入位移之间的偏差响应速度的不同导致微动控制系统的位移偏差补偿过程对闭环宏动控制系统产生高频信号干扰。高频干扰将导致闭环宏动控制系统的稳定时间增加，进而增加整体宏微动平台的定位时间。
发明专利201310494673.2提出一种宏微运动的动态切换方法。其控制方式为：根据宏、微平台的结构及动态特性，确定宏微切换的振幅阈值，并进一步确定相应的切换时刻，在宏动平台接近终点进行减速过程中达到一定的切换条件，提前启动微平台，通过绝对光栅微平台的闭环控制实现平台的精密定位。该控制方法的优点在于：考虑了宏动平台和微动平台的结构响应特性，确定了最优的宏微切换时刻，可以实现短时间内宏微平台的精密定位。其缺点在于：(1)宏微平台运动的最优切换时刻的计算依赖于宏、微平台的动力响应特性，而由于制造安装误差、运动条件变化等影响，宏、微平台的阻尼等动力学响应特性可能发生变化，导致控制方法的稳健性不佳；(2)在多变运动场合中，控制系统必须对宏微平台运动的切换时刻进行实时计算，控制器较为复杂；(3)宏、微动控制系统为双闭环反馈控制，微动控制系统的位移偏差过程会对宏动控制系统产生信号干扰，导致整体宏微动平台的定位时间增加。
发明内容
本发明的目的在于提出动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，可以实现高速高精度大行程的宏微复合运动，同时降低控制系统的复杂度，提高平台运动的可靠性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于包括以下步骤：
a、运动控制指令输入给宏运动控制器，生成运动规划曲线；
b、宏动控制系统以开环或者半闭环形式控制执行器驱动宏动平台产生宏位移，使宏动平台运动至目标位置；
c、运动检测装置检测宏动平台的位移信息，采用全闭环控制方式的微动控制系统将位移信息经反馈环节与输入位移信息进行比较，生成位移偏差信号；
d、微运动控制器根据位移偏差信号生成对微动平台的控制信息，并对宏动平台的运动误差进行补偿。
宏动控制系统的执行器利用局部闭环反馈环节确保执行器的输出与宏运动控制器的控制输出一致。
宏动控制系统中的半闭环控制器包括包含编码盘类内嵌反馈传感器。
宏动控制系统中的半闭环控制器包括外置于宏动平台的反馈传感器，其检测的宏动平台位移信号通过低通滤波后产生低频刚体位移信号反馈给宏运动控制器，形成宏动平台低频刚体位移补偿回路。
运动检测装置为光栅位移传感器，宏运动控制器为非对称S型曲线运动规划控制器。
微动平台的驱动执行器为音圈电机或压电陶瓷驱动器，执行机构为柔性铰链构成的柔顺机构。
宏动平台的执行器为旋转伺服电机或直线电机，旋转伺服电机通过丝杠带动宏动平台移动。
宏动平台与微动平台相互隔离解耦。
还包括最优动态特性配置环节，即检测宏动平台的高频位移信息，调节微动控制系统的动态特性。
检测宏动平台的振动信息是通过离散傅氏变换的快速算法实现的；调节补偿机构的动态特性即动态调节微动平台的刚度、频率和阻尼，将响应放大系数与频率关系变成线性关系。
本发明采用上述结构，具备以下优点：
1.宏动控制系统和微动控制系统为解耦独立控制，控制系统简单，成本低，可靠性高；
2.宏运动采用开环或半闭环控制，保证了宏动控制系统的稳定性，同时也减少了运动定位时间，进而提高了宏微平台的执行效率；
3.微运动控制采用以光栅位移传感器为检测环节的全闭环控制方式，对宏动平台的弹性振动误差进行补偿，实现了宏微平台的高精密定位要求；
4.微动控制系统内的微动平台采用高频执行器配合高固有频率的执行机构的平台，有效地提高了微动控制系统对宏动平台的定位误差补偿的实时性，有利于减少整体宏微动平台的定位时间。
附图说明
图1是本发明第一种实例的框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于包括以下步骤：
a、运动控制指令输入给宏运动控制器，生成运动规划曲线；
b、宏动控制系统以开环或者半闭环形式控制执行器驱动宏动平台产生宏位移，使宏动平台运动至目标位置；
c、运动检测装置检测宏动平台的位移信息，采用全闭环控制方式的微动控制系统将位移信息经反馈环节与输入位移信息进行比较，生成位移偏差信号；
d、微运动控制器根据位移偏差信号生成对微动平台的控制信息，并对宏动平台的运动误差进行补偿。
宏动控制系统的执行器利用局部闭环反馈环节确保执行器的输出与宏运动控制器的控制输出一致。
宏动控制系统中的半闭环控制器包括包含编码盘类内嵌反馈传感器。
宏动控制系统中的半闭环控制器包括外置于宏动平台的反馈传感器，其检测的宏动平台位移信号通过低通滤波后产生低频刚体位移信号反馈给宏运动控制器，形成宏动平台低频刚体位移补偿回路。
运动检测装置为光栅位移传感器，宏运动控制器为非对称S型曲线运动规划控制器。
微动平台的驱动执行器为音圈电机或压电陶瓷驱动器，执行机构为柔性铰链构成的柔顺机构。
宏动平台的执行器为旋转伺服电机或直线电机，旋转伺服电机通过丝杠带动宏动平台移动。
宏动平台与微动平台相互隔离解耦。
还包括最优动态特性配置环节，即检测宏动平台的高频位移信息，调节微动控制系统的动态特性。
检测宏动平台的振动信息是通过离散傅氏变换的快速算法实现的；调节补偿机构的动态特性即动态调节微动平台的刚度、频率和阻尼，将响应放大系数与频率关系变成线性关系。
在上次的刚体运动和弹性振动控制基础上，加上根据宏动平台的振动信息，调节微动平台的动态特性，实现高精度的位移输出。
本发明提出的控制方法的技术原理为：
宏动平台在做高加速运动时，其运动误差Δ主要为运动副间隙等引起的刚体误差Δr和由宏动平台的大惯量引起的弹性振动Δv。其中，刚体运动误差Δr满足宏动平台的刚体运动驱动规律，可以通过刚体动力学模型分析和运动规划算法进行补偿控制。弹性振动可以表达为含阻尼的简谐振动Δv＝Ae-αst sin(ωt)，其中弹性振动的幅值A为一较小的量。弹性振动频率属于高频分量。如果宏动控制系统采用全闭环控制方式，宏动控制系统中将包含高频的弹性振动，从而导致宏动控制系统中的闭环控制器输出的平台驱动信号产生波动。上述驱动信号波动可能会导致惯性能量进一步增加，从而使控制系统不稳定或稳定时间增加。同时，由于微动平台的响应速度高于宏动平台，闭环微动控制系统将对闭环宏动控制系统产生高频干扰，进而增加整体宏微控制系统的稳定时间。为适应高加速高精密宏微动平台的运动要求，有必要对宏动平台的两种不同来源的误差进行分别补偿控制。有别于采用滤波器来将高频的弹性振动信号与刚体误差信号区分的方法，本发明采用基于刚体运动和振动误差分级补偿的控制方法：(1)宏动平台的控制系统采用开环或半闭环控制方式。基于对宏动平台的刚体动力学分析，宏动控制系统内的运动规划控制器可以对宏动平台进行最优运动规划控制，从而补偿减少刚体误差Δr。(2)微动控制系统采用全闭环控制方式，以高精度的光栅位移传感器来获取精确的整体宏微复合平台的位移信息，通过上述位移信息与输入的位移信息进行比较，控制微动平台对宏动平台的高频弹性振动进行补偿。由于微动平台的驱动执行器为音圈电机或压电陶瓷驱动器，执行机构为柔性铰链构成的柔顺机构，为高频驱动元件和具有较高固有频率的执行机构，微动平台的运动响应时间很短，可以通过全闭环控制方式有效地补偿宏动平台的高频弹性振动误差Δv，进而实现整体宏微动平台的高精度定位要求。
本发明通过宏、微分级控制的控制方法，宏运动采用开环或半闭环控制方式隔断了来自高频微动控制系统的运动干扰，微运动采用全闭环控制方式保证了宏微平台的高定位精度，实现了大量程高速高精度的宏微平台定位。同时，本发明的宏、微动控制系统相互隔离解耦，降低了控制系统的复杂度与成本，提高了整体控制系统的稳健性和可靠度。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于包括以下步骤：
a、运动控制指令输入给宏运动控制器，生成运动规划曲线；
b、宏动控制系统以开环或者半闭环形式控制执行器驱动宏动平台产生宏位移，使宏动平台运动至目标位置；
c、在宏动平台运动的过程中，运动检测装置同时检测宏动平台和微动平台的位移信息，采用全闭环控制方式的微动控制系统将位移信息经反馈环节与输入位移信息进行比较，生成位移偏差信号；
d、微运动控制器根据位移偏差信号生成对微动平台的控制信息，并对宏动平台的运动误差进行补偿；
反馈感应器，其检测的宏动平台位移信号通过低通滤波后产生低频刚体位移信号反馈给宏运动控制器，形成宏动平台低频刚体位移补偿回路；
反馈感应器，其检测的宏动平台位移信号与低通滤波后信号的差值得到高频弹位移信息，反向后作为微动平台的目标，与检测的微动平台信息的差值反馈给微运动控制器，形成微动平台高频弹性位移补偿回路。
2.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：宏动控制系统的执行器利用局部闭环反馈环节确保执行器的输出与宏运动控制器的控制输出一致。
3.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：宏动控制系统中的半闭环控制器包括包含编码盘类内嵌反馈传感器。
4.根据权利要求3所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：宏动控制系统中的半闭环控制器包括外置于宏动平台的反馈传感器。
5.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：运动检测装置为光栅位移传感器，宏运动控制器为非对称S型曲线运动规划控制器。
6.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：微动平台的驱动执行器为音圈电机或压电陶瓷驱动器，执行机构为柔性铰链构成的柔顺机构。
7.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：宏动平台的执行器为旋转伺服电机或直线电机，旋转伺服电机通过丝杠带动宏动平台移动。
8.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：宏动平台与微动平台相互隔离解耦。
9.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：还包括最优动态特性配置环节，即检测宏动平台的高频位移信息，调节微动控制系统的动态特性。
10.根据权利要求1所述的动态特性智能匹配刚弹分级补偿宏微复合控制方法，其特征在于：检测宏动平台的振动信息是通过离散傅氏变换的快速算法实现的；调节补偿机构的动态特性即动态调节微动平台的刚度、频率和阻尼，将响应放大系数与频率关系变成线性关系。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105302164A (zh) * 2015-11-27 2016-02-03 广东工业大学 一种快速补偿运动机构到位误差的精密定位方法及其装置
CN105843164A (zh) * 2016-03-28 2016-08-10 南京埃斯顿自动化股份有限公司 基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法
CN108106547B (zh) * 2018-01-17 2023-09-19 华南理工大学 基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统及方法
CN109465827B (zh) * 2018-11-22 2021-12-10 广东工业大学 单反馈单驱动刚柔耦合平台控制方法
CN109581862B (zh) * 2018-11-22 2021-09-03 广东工业大学 内嵌扰动估计补偿算法的驱动器
CN110941238B (zh) * 2019-12-18 2020-09-29 广东工业大学 一种基于机器学习的平面运动直线度误差补偿系统及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101197197B (zh) * 2007-12-26 2010-06-16 西安交通大学 大运动范围宏微双重驱动定位平台
CN101369155A (zh) * 2008-07-16 2009-02-18 上海大学 大行程纳米位移定位宏动台锁定控制方法及系统
CN102151948A (zh) * 2011-01-21 2011-08-17 哈尔滨工业大学 用于极限环境管道维修的宏-微机器人遥控焊接方法
CN102501226B (zh) * 2011-10-31 2014-02-19 西安理工大学 一种宏微驱动变形导轨精密回转装置
CN102629122B (zh) * 2012-04-17 2014-08-27 中国科学院光电技术研究所 一种大行程高速双重驱动纳米定位系统
CN103170845B (zh) * 2013-03-01 2015-06-03 广东工业大学 一种同轴宏微复合直线运动平台装置的精度补偿方法

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