CN110350840A - 一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置及方法，涉及永磁直线同步电动机控制技术领域。装置包括电源部分、检测电路、DSP处理器部分、IPM隔离保护驱动电路、上位机。检测电路采集永磁直线同步电动机的动子电流、位置、速度信号，在DSP中计算出跟踪误差，采用时滞控制算法抑制不确定性因素对系统的影响，通过自适应控制和滑模控制相结合得出鲁棒自适应控制率，补偿时滞估计误差，最终计算得出电机的控制信号，DSP处理器产生六路PWM脉冲信号，分别驱动永磁直线同步电动机运行。本发明能实现直线电机伺服系统的高精度定位目标，使系统拥有较传统控制更快的响应速度，鲁棒自适应时滞控制结构控制仍具有强鲁棒性特点。

Description

一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置及方法

技术领域

本发明涉及永磁直线同步电动机控制技术领域，尤其涉及一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置及方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的快速发展，对伺服加工技术的要求也越来越高，永磁直线同步电动机具有低损耗、响应速度快、结构简单等优点，在精密定位领域逐步受到青睐，被广泛用于数控机床、半导体制造、航空航天、工业机器人、装配检验等领域。相比于传统的伺服系统进给方式，永磁直线同步电动机伺服系统具有很明显的优势，通过省去减速齿轮、滚珠丝杠等中间传动机构，电磁推力可以直接传递给负载，永磁直线同步电动机采用直接驱动方式，可以实现高速运行。但是，永磁直线同步电动机对电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力等不确定性因素非常敏感，严重影响了系统的性能，降低了伺服加工的精度。随着对伺服加工精度要求越来越高，对于伺服系统的要求也逐步提高。尽管，传统控制方法解决进给控制问题取得了一定成果，但仍然难以满足高精度的加工要求，为了满足日益严格的高精度加工的要求，必须提出更新的控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置及方法，以实现直线电机伺服系统的高精度定位目标。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置，包括电源部分、检测电路、DSP处理器部分、IPM隔离保护驱动电路、上位机；

电源部分包括整流电路和IPM逆变电路；

整流电路的输入端与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电，输出端与IPM逆变电路相连；IPM逆变电路把整流电路输出的直流电逆变成交流电，其输出端连接永磁直线同步电动机，为永磁直线同步电动机供电；

检测电路包括电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路和光栅尺；

电流检测电路的输入端通过霍尔传感器连接IPM逆变电路的输出端，电流检测电路的输出端连接DSP处理器的一路信号输入端，用于通过霍尔传感器采集永磁直线同步电动机的动子电流，并将采集的电流模拟量转变为DSP处理器能识别的数字量；

位置速度检测电路的输入端通过光栅尺连接永磁直线同步电动机的输出端，位置速度检测电路的输出端连接DSP处理器的另一路信号输入端，用于通过光栅尺采集永磁直线同步电动机动子的位置、速度信号，并转化为DSP处理器能识别的数字量；

DSP处理器部分包括DSP处理器及其外围电路，用于将给定的位置信号与光栅尺检测永磁直线同步电动机位置信号作差，得到永磁直线同步电动机的跟踪误差，作为鲁棒自适应时滞控制算法的输入量，然后采用时滞控制算法抑制不确定性因素对系统的影响，不确定性因素包括电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力，接着通过自适应控制和滑模控制相结合得出鲁棒自适应控制率，来补偿时滞估计误差，最终计算得出电机的控制信号，产生PWM信号，对永磁直线同步电动机进行伺服驱动；DSP处理器的PWM端口经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端；

IPM隔离驱动保护电路，用于光电隔离，并用于驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作；

上位机中存储有通过Code Composer Studio 6.1.3软件以C语言编写的控制程序，控制程序首先对检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将采集到的数据和给定的指令信号做差作为鲁棒自适应时滞控制算法的输入变量，执行鲁棒自适应时滞控制算法，最后将以鲁棒自适应时滞控制算法为核心的C语言程序，通过SCl串口总线与DSP处理器的SCl串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，驱动伺服系统运行。

进一步地，所述DSP处理器采用TMS320F28335芯片，DSP处理器外围电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路、DSP复位电路；电平转换电路将5V电源电压转换为DSP处理器供电的3.3V工作电压；Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，由DSP处理器中断程序来处理故障；DSP晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP的X1接口和X2接口；JTAG电路用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题，JTAG接口电路的引脚1、2、3、7、9、11、13、14分别接DSP的引脚79、78、76、77、87、87、85、86；复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中1脚接DSP的80脚。

另一方面，本发明还提供一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的方法，采用上述的提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的实现，具体包括以下步骤：

步骤1：输入给定的位置信号，永磁直线同步电动机接收到位置信号开始运动；

步骤2：确定永磁直线同步电动机动子的实际位置、速度及电流；

永磁直线同步电动机运动后，检测电路开始工作，光栅尺经位置速度检测电路输出正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号；脉冲信号均送至DSP的正交编码脉冲输入单元EQEP，通过四倍频处理来提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数得到动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，从而得出动子的位置和速度；利用霍尔传感器采集动子电流；

步骤3：利用步骤2中采集到的数据，在DSP中首先计算出跟踪误差，然后采用时滞控制算法抑制不确定性因素对系统的影响，不确定性因素包括电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力，接着通过自适应控制和滑模控制相结合得出鲁棒自适应控制率，来补偿时滞估计误差，最终计算得出电机的控制信号，即永磁直线同步电动机的控制电流；具体步骤如下：

步骤3.1：建立永磁直线同步电动机的机械运动方程及系统动态方程；

建立d-q轴模型：对于永磁直线同步电动机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴，构成d-q坐标系；

令电流内环d轴电流分量i_d＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电动机的电磁推力方程为：

式中，F_e为电磁推力；τ为极距；λ_PM为永磁体磁链；i_d、i_q、L_d、L_q分别为d、q轴的电流和电感；采用i_d＝0控制，动子电流与定子电流在空间上正交，电磁推力方程简化为

式中，K_f为电磁推力系数；

永磁直线同步电动机的机械运动方程为

式中，M为永磁直线同步电动机的动子和动子所带负载的总质量，B为粘滞摩擦系数，为动子加速度；为动子的速度，F为扰动，包括电机参数变化、外界扰动及非线性摩擦力；

当控制系统的系统参数变化、外界扰动及非线性摩擦力的干扰时，此时的动态方程应为

式中，u_t为控制器的输出，u_t＝i_q；A_n＝-B/M；B_n＝K_f/M；C_n＝-1/M；ΔA、ΔB、ΔC为系统参数M和B引起的系统不确定量；

简化永磁直线同步电动机的动态方程，将式(4)重写为

式中，H_t为系统总的不确定项，表示为

式中，W_t为控制增益；假设H_t有界，|H_t|＜δ，其中，δ为给定的正常数；

步骤3.2：根据步骤2中检测的实际位置，按下式计算系统跟踪误差e_t：

e_t＝d_m，t(t)-d_t(t) (7)

式中，d_m，t(t)为给定动子的位置，d_t(t)为动子的实际位置；

步骤3.3：通过延时一个采样周期来获得H_t的估计值当延时时间L充分小的时候，H_t看作一个连续函数，近似满足

式中，H_t-L表示对H_t延时一个采样周期后的值根据式(8)，对不确定量的估计表示为

结合步骤3.1中式(5)得

式中，L为一个采样周期；表示对延时一个采样周期后的值；

步骤3.4：根据步骤3.2的跟踪误差，作为鲁棒自适应时滞控制器的输入信号，设计鲁棒自适应时滞控制器，建立滑模面s；

滑模面s定义如下：

式中，λ为正常数；当系统的状态轨迹到达滑模面上时，则有s＝0，此时系统达到稳定状态，从而得到系统的理想误差动态方程为

为实现理想误差动态方程，根据式(5)、(10)、(11)得出鲁棒自适应时滞控制率为

式中，代表自适应控制增益部分，用于在线调整控制增益，从而减少时滞估计误差；代表时滞估计部分，用来抑制不确定性因素对系统的影响；代表引入理想误差动态方程部分，通过鲁棒自适应时滞控制，使系统的误差动态方程满足从而减小跟踪误差，进而实现系统的高精度跟踪性能；

通过在线调整控制增益，克服时滞估计过程中固定增益控制的缺陷，有效地补偿时滞估计误差，设计自适应控制增益为

式中，a＞0、σ＞0表示调节增益，其中，σ表示的最小值，用来防止的值过小；γ＞1、k＞0、b＞0用来防止增益过高；式(14)是滑模变量和自适应增益相结合的函数，随着a|s|^γ中滑模变量的增大而增大，当滑模变量较小时，代表主要控制增益，并且随着滑模变量减小逐渐减小，避免增益过高；

将式(8-9)、(13)代入式(5)得系统的误差动态方程为

式中，H_t-H_t-L表示鲁棒自适应时滞控制的时滞误差；通过在线调整补偿时滞估计误差，当时滞估计误差无限接近于零时，式(15)即为理想误差动态方程，通过式(7)得，此时系统的跟踪误差也接近于零，因此，通过选取合适的λ值以及自适应控制增益，系统能减小时滞估计误差，提高跟踪性能；

步骤4：DSP处理器产生相应的六路PWM脉冲信号，分别驱动永磁直线同步电动机运行；

通过IPM保护隔离驱动电路将DSP处理器输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流电路后，变为稳定的直流电送至IPM逆变电路，IPM逆变电路根据DSP处理器产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电动机，实现永磁直线同步电动机伺服系统的控制，进而驱动伺服加工系统实现精密加工。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置及方法，利用时滞控制来抑制电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力等不确定量对系统的影响，采用自适应控制和滑模控制相结合对控制增益进行适当地调整，使时滞估计误差减小，系统的控制性能更优。这样不仅提高了定位精度，而且使系统拥有较传统控制更快的响应速度，保证了位置跟踪误差快速地收敛到零，而且鲁棒自适应时滞控制结构控制仍具有强鲁棒性特点。另外，通过采用高性能的霍尔传感器和光栅尺，提高了采集信号的精度，同时，使用TMS320F28335芯片做为核心处理器提高了伺服系统处理数据的能力，提高了伺服系统的加工精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用永磁直线同步电动机控制伺服加工的装置结构图；

图2为本发明实施例提供的一台永磁直线同步电动机主电路原理图；

图3为本发明实施例提供的电流检测电路的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的位置速度检测电路的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的DSP处理器外围电路连接原理图；

图6为本发明实施例提供的DSP电源的电平变换电路的电路原理图；

图7为本发明实施例提供的Fault信号采集电路的电路原理图；

图8为本发明实施例提供的DSP晶振电路的电路原理图；

图9为本发明实施例提供的JTAG电路的电路原理图；

图10为本发明实施例提供的DSP复位电路的电路原理图；

图11为本发明实施例提供的IPM保护隔离驱动电路的电路原理图；

图12为本发明实施例提供的提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的方法流程图；

图13为本发明实施例提供的鲁棒自适应时滞控制算法原理图；

图14为本发明实施例提供的基于时滞控制器的永磁直线同步电动机控制系统跟踪误差曲线图；

图15为本发明一种实施方式基于鲁棒自适应时滞控制器的永磁直线同步电动机控制系统跟踪误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置，其结构如图1所示，包括电源部分、检测电路、DSP处理器部分、IPM隔离保护驱动电路、上位机。

永磁直线同步电动机主电路原理图如图2所示。

电源部分包括整流电路和IPM逆变电路；

整流电路作为整个控制装置的输入端，用来接收由用户给定的永磁直线同步电动机的最终运动位置的信号。整流电路的输入端与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电，输出端与IPM逆变电路相连；IPM逆变电路把整流电路输出的直流电逆变成交流电，其输出端连接永磁直线同步电动机，为永磁直线同步电动机供电。

整流电路中的整流桥阳极连接到IPM逆变电路的N端，其阴极连接到IPM逆变电路的P端，IPM逆变电路输出的三相电流通过输出端子U、V、W接至永磁同步直线电动机。P、N为变频器的整流变换平滑滤波后的IPM逆变电路输入端子，P为正端，N为负端。整流单元采用桥式不可控制整流方式，大电容滤波，这样可以获得适合于IPM工作的恒定电压。

本实施例中，通过常开触点开关A和常闭触点开关B，分别控制电机的启停。电路工作时，三相交流电经变压器将220V电压转变为有效值大小约为IPM逆变电路输入端电压大小的三相交流电，然后经整流桥晶体管电路，得到脉动的直流电压，接着通过电容滤波，使直流电压变得平滑，然后将稳定的电压加在IPM逆变电路的PN两端。此时已经变换完成的直流电通过IPM逆变电路，逆变为可变压可变频的变频三相交流电，驱动永磁直线同步电动机。其中IPM逆变电路中的IGBT是由控制电路输出的PWM脉冲序列控制其通断的，目的是为了得到满足要求的幅值相位的三相交流电。

检测电路包括电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路和光栅尺。

电流检测电路的输入端通过霍尔传感器连接IPM逆变电路的输出端，电流检测电路的输出端与DSP处理器的ADC端口相连，用于通过霍尔传感器采集永磁直线同步电动机的动子电流，并将采集的电流模拟量转变为DSP处理器能识别的数字量。电流检测电路如图3所示，电流检测电路是把永磁同步电机的三相动子电流经传感器后进入DSP处理器转换成是数字形式并进行一系列的变换。由于本实施例的系统是三相平衡系统，即三相电流矢量和为零，因此只需要检测其中两相电流，就可以得到三相电流。本实施例采用LTS25-NP型传感器来检测电流。

位置速度检测电路的输入端通过光栅尺连接永磁直线同步电动机的输出端，位置速度检测电路的输出端与DSP处理器的EQEP端口相连，用于通过光栅尺采集永磁直线同步电动机动子的位置、速度信号，并转化为DSP处理器能识别的数字量。位置速度检测电路如图4所示，将两相正交的方波脉冲信号A和B，通过高速光耦HCPL4504，送至DSP处理器两个捕获单元EQEP1(90引脚)和EQEP2(91引脚)。DSP处理器内部捕获单元可使用软件定义为正交编码脉冲输入单元，之后可以对脉冲进行计数，根据脉冲序列可以判断永磁直线同步电动机的运动方向、位置和速度。

在电机运动的过程中，光栅尺检测电机的实际位置和速度，霍尔传感器来检测实际电流大小。位置、速度和电流三个检测量通过检测电路送入DSP处理器。

DSP处理器接收来自电流检测电路和位置速度检测电路的输出信号，经DSP处理器对该两路信号的处理，将结果信号经IPM保护隔离驱动电路输出给IPM逆变电路。DSP处理器部分包括DSP处理器及其外围电路，用于将给定的位置信号与光栅尺检测永磁直线同步电动机位置信号作差，得到永磁直线同步电动机的跟踪误差，作为鲁棒自适应时滞控制算法的输入量，然后采用时滞控制算法抑制不确定性因素对系统的影响，不确定性因素包括电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力，接着通过自适应控制和滑模控制相结合得出鲁棒自适应控制率，来补偿时滞估计误差，最终计算得出电机的控制信号，产生PWM信号，对永磁直线同步电动机进行伺服驱动；DSP处理器的PWM端口经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端。本实施例中，DSP处理器的型号为TMS320F28335，其外围电路连接结构原理图如图5所示。DSP处理器外围电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路、DSP复位电路，分别如图6～10所示.电平转换电路将5V电源电压转换为DSP处理器供电的3.3V工作电压。Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，由DSP处理器中断程序来处理故障。DSP晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP的X1(104引脚)接口和X2(102引脚)接口。JTAG电路用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题，JTAG接口电路的引脚1、2、3、7、9、11、13、14分别接DSP的引脚79、78、76、77、87、87、85、86。复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中1脚接DSP的80脚。

IPM隔离驱动保护电路，用于光电隔离，并用于驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作。IPM保护隔离驱动电路，如图11所示。用IPM保护隔离驱动电路代替功率器件作为电源功率器件。电流通过IPM处理后，通入永磁直线同步电动机中，电机实现运动。

上位机中存储有通过Code Composer Studio 6.1.3软件以C语言编写的控制程序，控制程序首先对检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将采集到的数据和给定的指令信号做差作为鲁棒自适应时滞控制算法的输入变量，执行鲁棒自适应时滞控制算法，最后将以鲁棒自适应时滞控制算法为核心的C语言程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，驱动伺服系统运行。

本实施例还提供一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的方法，采用上述的提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的实现，如图12所示，具体包括以下步骤：

步骤1：输入给定的位置信号，此时永磁直线同步电动机接收到位置信号，该给定信号转换为控制电机运动的电压电流信号，电机开始运动。

步骤2：确定永磁直线同步电动机动子的实际位置、速度及电流；

永磁直线同步电动机运动后，检测电路开始工作，光栅尺经位置速度检测电路输出正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号；脉冲信号均送至DSP的正交编码脉冲输入单元EQEP，通过四倍频处理来提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数得到动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，从而得出动子的位置和速度；利用霍尔传感器采集动子电流。

步骤3：利用步骤2中采集到的位置、速度和电流数据，在DSP中首先计算出跟踪误差，然后采用时滞控制算法抑制不确定性因素对系统的影响，不确定性因素包括电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力，接着通过自适应控制和滑模控制相结合得出鲁棒自适应控制率，来补偿时滞估计误差，鲁棒自适应时滞控制算法原理图如图13所示，最终计算得出电机的控制信号，即永磁直线同步电动机的控制电流。整个计算过程均在DSP中实现，具体步骤如下：

步骤3.1：建立永磁直线同步电动机的电磁推力方程及机械运动方程；

建立d-q轴模型：对于永磁直线同步电动机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴，构成d-q坐标系；

令电流内环d轴电流分量i_d＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电动机的电磁推力方程为：

式中，F_e为电磁推力；τ为极距；λ_PM为永磁体磁链；i_d、i_q、L_d、L_q分别为d、q轴的电流和电感；采用i_d＝0控制，动子电流与定子电流在空间上正交，电磁推力方程简化为

式中，K_f为电磁推力系数；

永磁直线同步电动机的机械运动方程为

式中，M为永磁直线同步电动机的动子和动子所带负载的总质量，B为粘滞摩擦系数，为动子加速度；为动子的速度，F为扰动，包括电机参数变化、外界扰动及非线性摩擦力；

当控制系统的系统参数变化、外界扰动及非线性摩擦力的干扰时，此时的动态方程应为

式中，u_t为控制器的输出，u_t＝i_q；A_n＝-B/M；B_n＝K_f/M；C_n＝-1/M；ΔA、ΔB、ΔC为系统参数M和B引起的系统不确定量；系统参数虽然F已经包含了由参数变化引起的不确定性因素，但是为了着重表示由M和B的变化对系统的影响较大，因此在式(4)中引入ΔA、ΔB、ΔC；

简化永磁直线同步电动机的动态方程，将式(4)重写为

式中，H_t为系统总的不确定项，表示为

式中，W_t为控制增益；假设H_t有界，|H_t|＜δ，其中，δ为给定的正常数；

步骤3.2：根据步骤2中检测的实际位置，按下式计算系统跟踪误差e_t：

e_t＝d_m，t(t)-d_t(t) (7)

式中，d_m，t；(t)为给定动子的位置，d_t(t)为动子的实际位置；

步骤3.3：为使永磁直线同步电动机精确地跟踪参考轨迹，通过延时一个采样周期来获得H_t的估计值当延时时间L充分小的时候，H_t看作一个连续函数，近似满足

式中，H_t-L表示对H_t延时一个采样周期后的值根据式(8)，对不确定量的估计表示为

结合步骤3.1中式(5)得

式中，L为一个采样周期；表示对延时一个采样周期后的值；通过简单的表达式来表示复杂的电机参数以及系统中的不确定量，摆脱了控制系统对系统动态方程的依赖，从而摆脱了传统的伺服控制中电机主要参数对控制率设计的限制，降低了控制率设计的难度；

步骤3.4：根据步骤3.2的跟踪误差，作为鲁棒自适应时滞控制器的输入信号，设计鲁棒自适应时滞控制器，建立滑模面s；

滑模面s定义如下：

式中，λ为正常数；当系统的状态轨迹到达滑模面上时，则有s＝0，此时系统达到稳定状态，从而得到系统的理想误差动态方程为

为实现理想误差动态方程，根据式(5)、(10)、(11)得出鲁棒自适应时滞控制率为

式中，代表自适应控制增益部分，用于在线调整控制增益，从而减少时滞估计误差；代表时滞估计部分，用来抑制不确定性因素对系统的影响；代表引入理想误差动态方程部分，通过鲁棒自适应时滞控制，使系统的误差动态方程满足从而减小跟踪误差，进而实现系统的高精度跟踪性能；

通过在线调整控制增益，克服时滞估计过程中固定增益控制的缺陷，有效地补偿时滞估计误差，设计自适应控制增益为

式中，a＞0、σ＞0表示调节增益，其中，σ表示的最小值，用来防止的值过小；γ＞1、k＞0、b＞0用来防止增益过高；式(14)是滑模变量和自适应增益相结合的函数，随着a|s|^γ中滑模变量的增大而增大，当滑模变量较小时，代表主要控制增益，并且随着滑模变量减小逐渐减小，避免增益过高；

将式(8-9)、(13)代入式(5)得系统的误差动态方程为

式中，H_t-H_t-L表示鲁棒自适应时滞控制的时滞误差；通过在线调整补偿时滞估计误差，当时滞估计误差无限接近于零时，式(15)即为理想误差动态方程，通过式(7)得，此时系统的跟踪误差也接近于零，因此，通过选取合适的λ值以及自适应控制增益，系统能减小时滞估计误差，提高跟踪性能；

构建李雅普诺夫函数为

对V求导得

根据sig(x)^y＝|x|^y sig(x)化简得

将式(14)代入式(18)得

令H_t-H_t-L＝ε，将式(15)代入式(19)，并根据sig(x)^y＝|x|^y sig(x)化简得

由于因此得

因此，当满足时，因此保证了系统的稳定性。

步骤4：DSP处理器产生相应的六路PWM脉冲信号，分别驱动永磁直线同步电动机运行；

通过IPM保护隔离驱动电路将DSP处理器输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流电路后，变为稳定的直流电送至IPM逆变电路，IPM逆变电路根据DSP处理器产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电动机，实现永磁直线同步电动机伺服系统的控制，进而驱动伺服加工系统实现精密加工。

为了验证该算法的有效性，选择的永磁直线同步电动机参数如下：电磁推力常数K_f＝50.7N/A，永磁直线同步电动机的动子质量M＝6.6kg，粘滞摩擦系数B₁＝8.0N.s/m；采用MATLAB进行仿真。

根据提供的电机参数，及本实施例中设计鲁棒自适应时滞控制器，经MATLAB反复调试，使得效果最优，参数选择如下：λ＝7，a＝0.5，γ＝1.5，k＝0.3，b＝0.76，σ＝1。跟踪信号d_m，t给定信号为幅值为1mm，频率为lrad/s的正弦波周期运动指令。基于时滞控制器的永磁直线同步电动机控制系统跟踪误差曲线如图14所示，基于鲁棒自适应时滞控制器的永磁直线同步电动机控制系统跟踪误差曲线如图15所示。从仿真图可以看出，时滞控制系统的跟踪误差变化范围较大约为-5～5.6um，最大误差为5.6um。而鲁棒自适应时滞控制系统的跟踪误差明显更小，位置误差的变化幅度也较小约为-1.72～2um，最大误差为2um，其最大误差也明显小于时滞控制系统的最大误差。因此，鲁棒自适应时滞控制比时滞控制具有明显的优势，提高了系统的跟踪精度，加快了系统的动态响应，进而减小了系统的跟踪误差，验证了该控制方法的有效性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置，其特征在于：该装置包括电源部分、检测电路、DSP处理器部分、IPM隔离保护驱动电路、上位机；

电源部分包括整流电路和IPM逆变电路；

整流电路的输入端与三相交流电源相连，将变化的交流电转化为稳定的直流电，输出端与IPM逆变电路相连；IPM逆变电路把整流电路输出的直流电逆变成交流电，其输出端连接永磁直线同步电动机，为永磁直线同步电动机供电；

检测电路包括电流检测电路、霍尔传感器、位置速度检测电路和光栅尺；

电流检测电路的输入端通过霍尔传感器连接IPM逆变电路的输出端，电流检测电路的输出端连接DSP处理器的一路信号输入端，用于通过霍尔传感器采集永磁直线同步电动机的动子电流，并将采集的电流模拟量转变为DSP处理器能识别的数字量；

位置速度检测电路的输入端通过光栅尺连接永磁直线同步电动机的输出端，位置速度检测电路的输出端连接DSP处理器的另一路信号输入端，用于通过光栅尺采集永磁直线同步电动机动子的位置、速度信号，并转化为DSP处理器能识别的数字量；

DSP处理器部分包括DSP处理器及其外围电路，用于将给定的位置信号与光栅尺检测永磁直线同步电动机位置信号作差，得到永磁直线同步电动机的跟踪误差，作为鲁棒自适应时滞控制算法的输入量，然后采用时滞控制算法抑制不确定性因素对系统的影响，不确定性因素包括电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力，接着通过自适应控制和滑模控制相结合得出鲁棒自适应控制率，来补偿时滞估计误差，最终计算得出电机的控制信号，产生PWM信号，对永磁直线同步电动机进行伺服驱动；DSP处理器的PWM端口经IPM保护隔离驱动电路连接至IPM逆变电路的另一路输入端；

IPM隔离驱动保护电路，用于光电隔离，并用于驱动IPM逆变电路中的六个IGBT工作；

上位机中存储有通过Code Composer Studio 6.1.3软件以C语言编写的控制程序，控制程序首先对检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将采集到的数据和给定的指令信号做差作为鲁棒自适应时滞控制算法的输入变量，执行鲁棒自适应时滞控制算法，最后将以鲁棒自适应时滞控制算法为核心的C语言程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，驱动伺服系统运行。

2.根据权利要求1所述的提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的装置，其特征在于：所述DSP处理器采用TMS320F28335芯片，DSP处理器外围电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路、DSP复位电路；电平转换电路将5V电源电压转换为DSP处理器供电的3.3V工作电压；Fault信号采集电路与DSP处理器外部中断引脚连接，由DSP处理器中断程序来处理故障；DSP晶振电路为DSP处理器提供30MHz的工作频率，晶振电路的引脚1和引脚4分别连接DSP的X1接口和X2接口；JTAG电路用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题，JTAG接口电路的引脚1、2、3、7、9、11、13、14分别接DSP的引脚79、78、76、77、87、87、85、86；复位电路用于将整个电路恢复至起始状态，复位电路中1脚接DSP的80脚。

3.一种提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的方法，采用权利要求1所述的提高永磁直线同步电动机伺服加工精度的实现，具体包括以下步骤：

步骤1：输入给定的位置信号，永磁直线同步电动机接收到位置信号开始运动；

步骤2：确定永磁直线同步电动机动子的实际位置、速度及电流；

永磁直线同步电动机运动后，检测电路开始工作，光栅尺经位置速度检测电路输出正交方波脉冲信号和零位脉冲信号，共三路脉冲信号；脉冲信号均送至DSP的正交编码脉冲输入单元EQEP，通过四倍频处理来提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增减计数模式，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数得到动子的位置偏移，由两相脉冲的超前关系得到动子的转向，从而得出动子的位置和速度；利用霍尔传感器采集动子电流；

步骤3：利用步骤2中采集到的数据，在DSP中首先计算出跟踪误差，然后采用时滞控制算法抑制不确定性因素对系统的影响，不确定性因素包括电机参数变化、负载扰动、端部效应、非线性摩擦力，接着通过自适应控制和滑模控制相结合得出鲁棒自适应控制率，来补偿时滞估计误差，最终计算得出电机的控制信号，即永磁直线同步电动机的控制电流；具体步骤如下：

步骤3.1：建立永磁直线同步电动机的电磁推力方程及机械运动方程；

建立d-q轴模型：对于永磁直线同步电动机，取永磁体磁极轴线为d轴，而超前d轴90度电度角为q轴，构成d-q坐标系；

令电流内环d轴电流分量i_d＝0，使定子电流矢量和永磁体磁场在空间上正交，则永磁直线同步电动机的电磁推力方程为：

式中，F_e为电磁推力；τ为极距；λ_PM为永磁体磁链；i_d、i_q、L_d、L_q分别为d、q轴的电流和电感；采用i_d＝0控制，动子电流与定子电流在空间上正交，电磁推力方程简化为

式中，K_f为电磁推力系数；

永磁直线同步电动机的机械运动方程为

式中，M为永磁直线同步电动机的动子和动子所带负载的总质量，B为粘滞摩擦系数，为动子加速度；为动子的速度，F为扰动，包括电机参数变化、外界扰动及非线性摩擦力；

当控制系统的系统参数变化、外界扰动及非线性摩擦力的干扰时，此时的动态方程应为

式中，u_t为控制器的输出，u_t＝i_q；A_n＝-B/M；B_n＝K_f/M；C_n＝-1/M；ΔA、ΔB、ΔC为系统参数M和B引起的系统不确定量；

简化永磁直线同步电动机的动态方程，将式(4)重写为

式中，H_t为系统总的不确定项，表示为

式中，W_t为控制增益；假设H_t有界，|H_t|＜δ，其中，δ为给定的正常数；

步骤3.2：根据步骤2中检测的实际位置，按下式计算系统跟踪误差e_t：

e_t＝d_m，t(t)-d_t(t) (7)

式中，d_m，t(t)为给定动子的位置，d_t(t)为动子的实际位置；

步骤3.3：通过延时一个采样周期来获得H_t的估计值当延时时间L充分小的时候，H_t看作一个连续函数，近似满足

式中，H_t-L表示对H_t延时一个采样周期后的值根据式(8)，对不确定量的估计表示为

结合步骤3.1中式(5)得

式中，L为一个采样周期；表示对延时一个采样周期后的值；

步骤3.4：根据步骤3.2的跟踪误差，作为鲁棒自适应时滞控制器的输入信号，设计鲁棒自适应时滞控制器，建立滑模面s；

滑模面s定义如下：

式中，λ为正常数；当系统的状态轨迹到达滑模面上时，则有s＝0，此时系统达到稳定状态，从而得到系统的理想误差动态方程为

为实现理想误差动态方程，根据式(5)、(10)、(11)得出鲁棒自适应时滞控制率为

式中，代表自适应控制增益部分，用于在线调整控制增益，从而减少时滞估计误差；代表时滞估计部分，用来抑制不确定性因素对系统的影响；代表引入理想误差动态方程部分，通过鲁棒自适应时滞控制，使系统的误差动态方程满足从而减小跟踪误差，进而实现系统的高精度跟踪性能；

通过在线调整控制增益，克服时滞估计过程中固定增益控制的缺陷，有效地补偿时滞估计误差，设计自适应控制增益为

式中，a＞0、σ＞0表示调节增益，其中，σ表示的最小值，用来防止的值过小；γ＞1、k＞0、b＞0用来防止增益过高；式(14)是滑模变量和自适应增益相结合的函数，随着a|s|^γ中滑模变量的增大而增大，当滑模变量较小时，代表主要控制增益，并且随着滑模变量减小逐渐减小，避免增益过高；

将式(8-9)、(13)代入式(5)得系统的误差动态方程为

式中，H_t-H_t-L表示鲁棒自适应时滞控制的时滞误差；通过在线调整补偿时滞估计误差，当时滞估计误差无限接近于零时，式(15)即为理想误差动态方程，通过式(7)得，此时系统的跟踪误差也接近于零，因此，通过选取合适的λ值以及自适应控制增益，系统能减小时滞估计误差，提高跟踪性能；

步骤4：DSP处理器产生相应的六路PWM脉冲信号，分别驱动永磁直线同步电动机运行；

通过IPM保护隔离驱动电路将DSP处理器输出的PWM信号转换成驱动信号，固定的220V三相交流电经整流电路后，变为稳定的直流电送至IPM逆变电路，IPM逆变电路根据DSP处理器产生的六路PWM脉冲信号来控制IPM逆变电路中六个IGBT的导通与关断，得到满足需要的三相交流电，驱动永磁直线同步电动机，实现永磁直线同步电动机伺服系统的控制，进而驱动伺服加工系统实现精密加工。