[发明专利]直线音圈电机非线性特性的智能补偿方法及控制系统

说明书

(一)技术领域

本发明涉及直线音圈电机非线性特性的控制技术领域，具体为一种针对 具有非光滑的复杂迟滞非线性特性和非光滑摩擦特性的直线音圈电机非线性 特性的智能补偿方法及控制系统。

(二)背景技术

具有长行程、微/纳米级定位精度的直线音圈电机(以下简称音圈电机) 属于“零传动”的直接驱动电机，与其它电机和作为位移定位驱动装置相比 较，具有明显的优势，其具高分辨率、高响应、高加速度、体积小、力特性 好等特点，广泛应用到计算机硬盘、精密加工切削机床、移动数码相机、空 中机器人、半导体封装及微纳米级平台等。尤其是音圈电机具有高速响应特 性，使之成为了移动数码相机和半导体封装键合的理想驱动装置。

但是，由于音圈电机直接驱动负载，在高速往复运动中，即高频响情况 下，表现出了强非线性特性，既复杂迟滞特性和与运动特性有关的摩擦特性。 其出现的非增函数变化、非光滑复杂迟滞非线性特性，导致了系统的震动和 性能的下降。尤其是在高速运动下，音圈电机表现出与一般直线电机完全不 同的非线性复杂迟滞特性。

现有音圈电机的控制方法是将音圈电机视为低频下工作的一般电机，采 用普通直线电机的控制方法，控制效果无法满足高速高精度的要求。

在高速往复运动中，音圈电机表现出非光滑的强非线性特性，不能直接 采用以导数为基础的建模与补偿方法及对应控制技术，如现有的模糊，神经网 络等建模与补偿方法均不适用。

1)摩擦特性：

从机理方面分析，非光滑摩擦模型的结构已成熟，模型中参数不同，其 描述的摩擦特性不同。针对不同摩擦特性，求得模型中的参数，即可表达不 同的非光滑摩擦特性。但是摩擦模型中的参数在线辨识一直是音圈电机建模 中的难点问题。所以，在以非光滑摩擦模型为基础的音圈电机消除摩擦的控 制方法或补偿方法中，关键技术就是音圈电机非光滑特性摩擦模型中参数的 在线辨识或智能自学习。

2)复杂迟滞特性：

音圈电机表现出的非增函数变化的、非光滑的复杂迟滞特性与压电陶瓷、 扩散硅压力传感器及高分子湿度传感器等表现出的增函数变化的迟滞特性完 全不同，用已有的一般迟滞模型无法对音圈电机特殊的复杂迟滞特性建模，故 对音圈电机的迟滞特性也难以补偿。

为了消除高频响音圈电机迟滞特性和摩擦特性引起音圈电机运行时产生 的震动和进一步有效地提高音圈电机的控制系统精度，故需要针对音圈电机 的非增函数变化的、非光滑复杂迟滞特性和音圈电机非光滑摩擦特性建模， 以提供消除两种特性的模型补偿手段，并在此基础上，设计高速往复运动的 音圈电机的非线性特性的智能补偿方法和控制系统。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种在高速往复运动下具有非增函数变化的、复杂 迟滞特性和摩擦特性直线音圈电机的智能补偿方法及控制系统，以实现音圈 电机的微米级高速定位控制。

以下直线音圈电机简称为音圈电机。

本发明设计的音圈电机非线性特性的智能补偿方法如下：

I、建立音圈电机的混合迟滞模型

针对音圈电机线圈电压与位移之间的非光滑、复杂迟滞特性，采用音圈 电机迟滞机理模型与神经网络模型串联组成的音圈电机混合迟滞模型。

混合迟滞模型结构的前一部分借鉴描述弹簧恢复力和位移的迟滞特性的 Bouc-Wen迟滞机理模型，该模型是由具有非增函数变化的、非光滑特性的非 线性微分方程构成。其方程如下：

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