CN205430117U

CN205430117U - 直线电机点到点定位装置

Info

Publication number: CN205430117U
Application number: CN201620150242.3U
Authority: CN
Inventors: 施昕昕; 黄家才; 温秀兰
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2026-02-28

Abstract

本实用新型公开了一种直线电机点到点定位装置，包括基于扩张状态观测时间最优控制器、第一求差电路、电流控制器、功率驱动放大器、电流传感器和位移传感器；基于扩张状态观测时间最优控制器包括时间最优控制器、第二求差电路和扩张状态观测器。本实用新型利用扩张状态观测器和时间最优控制器，在有效抑制系统参数变化、摩擦力、负载扰动力等系统非线性因素和不确定干扰影响的基础上，实现直线电机高速高精度点到点定位控制性能。

Description

直线电机点到点定位装置

技术领域

本实用新型涉及一种直线电机点到点定位装置，具体涉及一种基于扩张状态观测时间最优控制器的直线电机点到点定位装置，属于直线电机运动控制技术领域。

背景技术

直线电机，又称“电磁直线执行器”，属于“直接驱动执行器”范畴。直线电机取消了中间传动环节，具有结构简单、响应快、精度和效率高等优点，有利于实现高速高精度点到点定位运动和高精度轨迹跟踪直线运动性能，在现代工业、民用、医疗、交通和军事等领域具有广泛的应用前景。

直线电机系统由于缺少中间传动环节的缓冲作用，因此更容易受到系统参数变化、摩擦力、负载扰动力等系统非线性因素和不确定干扰的影响，给直线电机的高精度点到点定位控制带来很大的难度。

为实现直线电机的高精度点到点定位控制，各种先进的控制算法被用来进行直线电机的运动控制研究，较具代表性的有重复迭代学习控制、自适应鲁棒控制和带前馈的比例积分微分控制等。其中带前馈的比例积分微分控制具有系统实现简单、参数调节方便和不需要精确的系统模型等优点，但其抑制和抵抗系统非线性因素和不确定干扰的能力不强，无法较好地实现直线电机高速高精度点到点定位控制性能。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种直线电机点到点定位装置。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

直线电机点到点定位装置，包括基于扩张状态观测时间最优控制器、第一求差电路、电流控制器、功率驱动放大器、电流传感器和位移传感器；所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端为所述装置的输入端，所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输出端与第一求差电路的输入端连接，所述第一求差电路的输出端与电流控制器的输入端连接，所述电流控制器的输出端与功率驱动放大器的输入端连接，所述功率驱动放大器的输出端外接直线电机，所述电流传感器的输入端与功率驱动放大器的输出端连接，所述电流传感器的输出端与第一求差电路的输入端连接，所述位移传感器的输入端外接直线电机，所述位移传感器的输出端与基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端连接。

所述基于扩张状态观测时间最优控制器包括时间最优控制器、第二求差电路和扩张状态观测器；所述时间最优控制器的输入端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端，所述时间最优控制器的输出端与第二求差电路的输入端连接，所述第二求差电路的输出端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输出端，所述扩张状态观测器的输入端分别与第二求差电路的输出端以及位移传感器的输出端连接，所述扩张状态观测器的输出端分别与时间最优控制器的输入端以及第二求差电路的输入端连接。

本实用新型所达到的有益效果：本实用新型设计了一种基于扩张状态观测时间最优控制器的直线电机点到点定位装置，利用扩张状态观测器和时间最优控制器，在有效抑制系统参数变化、摩擦力、负载扰动力等系统非线性因素和不确定干扰影响的基础上，实现直线电机高速高精度点到点定位控制性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型中不同目标位置定位性能对比图。

图3是本实用新型中对系统参数变化的抑制能力对比图。

图4是本实用新型中对外部扰动的抑制能力对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，直线电机点到点定位装置，包括基于扩张状态观测时间最优控制器、第一求差电路、电流控制器、功率驱动放大器、电流传感器和位移传感器。

基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端为所述装置的输入端，基于扩张状态观测时间最优控制器的输出端与第一求差电路的输入端连接，第一求差电路的输出端与电流控制器的输入端连接，电流控制器的输出端与功率驱动放大器的输入端连接，功率驱动放大器的输出端外接直线电机，电流传感器的输入端与功率驱动放大器的输出端连接，电流传感器的输出端与第一求差电路的输入端连接，位移传感器的输入端外接直线电机，位移传感器的输出端与基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端连接。

基于扩张状态观测时间最优控制器包括时间最优控制器、第二求差电路和扩张状态观测器。

时间最优控制器的输入端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端，时间最优控制器的输出端与第二求差电路的输入端连接，第二求差电路的输出端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输出端，扩张状态观测器的输入端分别与第二求差电路的输出端以及位移传感器的输出端连接，扩张状态观测器的输出端分别与时间最优控制器的输入端以及第二求差电路的输入端连接。

直线电机点到点定位装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤1，电流传感器采集直线电机的实际动子电流i。

步骤2，位移传感器采集直线电机的实际运动位移x。

步骤3，基于扩张状态观测时间最优控制器接收直线电机的目标位置y_d和实际运动位移x，输出中间控制量u₁。

基于扩张状态观测时间最优控制器的处理过程为，

A1)扩张状态观测器计算直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂和系统总和扰动的估计值z₃；

具体计算公式为，

\{\begin{matrix} e_{0} = z_{1} - x \\ {\overset{\cdot}{z}}_{1} = z_{2} - β_{01} \cdot e_{0} \\ {\overset{\cdot}{z}}_{2} = z_{3} - β_{02} \cdot f a l (e_{0}, 0.5, δ) + b \cdot u_{1} \\ {\overset{\cdot}{z}}_{3} = - β_{03} \cdot f a l (e_{0}, 0.25, δ) \end{matrix}

其中，e₀为z₁和x之间的误差，b为控制量增益，β₀₁、β₀₂、β₀₃为扩张状态观测器增益，fal(e₀,0.25,δ)为非线性函数，δ为fal(e₀,0.25,δ)中线性段的区间长度；

fal(e₀,0.25,δ)的具体公式为，

f a l (e_{0}, 0.25, δ) = \{\begin{matrix} e_{0} \cdot δ^{α - 1}, & | e_{0} | \leq δ \\ | e_{0} |^{α} \cdot sgn (e_{0}), & | e_{0} | > δ \end{matrix}

其中，α为幂指数，sgn(·)为符号函数；

A2)时间最优控制器接收直线电机的目标位置y_d并进行处理；

时间最优控制器的处理公式为，

u_{0} = f h a n (z_{1} - y_{d}, z_{2}, r, h_{0}) = \{\begin{matrix} - r \cdot sgn (a), & | a | > d \\ - r \cdot (a / d), & | a | \leq d \end{matrix}

a和d的公式为，

\{\begin{matrix} d = r \cdot h_{0} \\ d_{0} = h_{0} \cdot d \\ y_{0} = z_{1} - y_{d} + h_{0} \cdot z_{2} \\ a_{0} = \sqrt{d^{2} + 8 r \cdot | y_{0} |} \\ a = \{\begin{matrix} z_{2} + [(a_{0} - d) / 2] \cdot sgn (y_{0}), & | y_{0} | > d_{0} \\ z_{2} + (y_{0} / h_{0}), & | y_{0} | \leq d_{0} \end{matrix} \end{matrix}

其中，r和h₀为控制器参数，u₀为时间最优控制器的输出量；

A3)第二求差电路接收时间最优控制器的输出量u₀，计算出中间控制量u₁；

计算公式为，

u₁＝(u₀-z₃)/b。

步骤4，第一求差电路接收中间控制量u₁和实际动子电流i，将中间控制量u₁和实际动子电流i比较后的误差值e发送到电流控制器处理，电流控制器输出实际电压控制量u。

电流控制器中的计算公式为，

u＝K_pi·e

其中，K_pi为电流控制器的参数。

步骤5，功率驱动放大器接收实际电压控制量u，控制直线电机的运行。

在上述装置中，数据的流向为：电流传感器用于采集直线电机的实际动子电流i，并传输至第一求差电路，位移传感器用于采集直线电机的实际运动位移x，并传输至扩张状态观测器，扩张状态观测器利用直线电机的实际运动位移x和上一个采样时刻计算出的中间控制量u₁计算出三个状态变量，分别为直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂和系统总和扰动的估计值z₃，其中z₁和z₂传输至时间最优控制器，z₃传输至第二求差电路，时间最优控制器将目标位置y_d和直线电机实际运动位移的估计值z₁、直线电机实际运动速度的估计值z₂进行计算后，输出u₀，并传输至第二求差电路，第二求差电路将u₀和系统总和扰动的估计值z₃进行比较计算，得出u₁，并传输至第一求差电路，第一求差电路将u₁和直线电机的实际动子电流i进行比较计算得出差值e，并传输至电流控制器，电流控制器将u₁和e进行控制计算后得出实际电压控制量u，并传输至功率驱动放大器，功率驱动放大器产生相应的电压信号，从而控制所述直线电机运行。

图2反映的是当目标位置分别为8mm和32mm时，两种控制器的点到点定位响应对比图，这两种控制器分别为带前馈比例积分微分控制器和基于扩张状态观测时间最优控制器。从图中可以看出，基于扩张状态观测时间最优控制器的定位误差小、响应速度快、控制精度高，实现直线电机的高速高精度点到点定位控制性能。

图3反映的是在系统参数变化下两种控制器的点到点定位响应对比图，这里系统参数(即运动部分的质量)由0.25kg变为10kg。从图中可以看出，基于扩张状态观测时间最优控制器对系统参数变化具有较强的抑制能力，并且响应速度快，定位误差小。

图4反映的是在外部扰动作用下两种控制器的点到点定位响应对比图，这里在0.04–0.06秒之间给系统施加10N的作用力，模拟突变的外部扰动作用。从图中可以看出，基于扩张状态观测时间最优控制器的直线电机点到点定位装置对外部扰动同样具有很强的抑制能力，同时响应速度快，定位误差小。

本实用新型中扩张状态观测器用来估计系统参数变化和外部扰动等不确定因素，并对其进行补偿；时间最优控制器以最短的时间实现定位控制。采用基于扩张状态观测时间最优控制器能有效抑制了系统非线性因素和不确定干扰对系统性能的影响，实现直线电机高速高精度点到点定位控制性能。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.直线电机点到点定位装置，其特征在于：包括基于扩张状态观测时间最优控制器、第一求差电路、电流控制器、功率驱动放大器、电流传感器和位移传感器；

所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端为所述装置的输入端，所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输出端与第一求差电路的输入端连接，所述第一求差电路的输出端与电流控制器的输入端连接，所述电流控制器的输出端与功率驱动放大器的输入端连接，所述功率驱动放大器的输出端外接直线电机，所述电流传感器的输入端与功率驱动放大器的输出端连接，所述电流传感器的输出端与第一求差电路的输入端连接，所述位移传感器的输入端外接直线电机，所述位移传感器的输出端与基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的直线电机点到点定位装置，其特征在于：所述基于扩张状态观测时间最优控制器包括时间最优控制器、第二求差电路和扩张状态观测器；

所述时间最优控制器的输入端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输入端，所述时间最优控制器的输出端与第二求差电路的输入端连接，所述第二求差电路的输出端为所述基于扩张状态观测时间最优控制器的输出端，所述扩张状态观测器的输入端分别与第二求差电路的输出端以及位移传感器的输出端连接，所述扩张状态观测器的输出端分别与时间最优控制器的输入端以及第二求差电路的输入端连接。