[发明专利]基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制方法

权利要求书

1.一种基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制装置，其特征在于：包括：

信号采集器(1)：用于采集直线电机的电压信号、电流信号及位置信号的装置；

位置给定器(2)：用于根据要加工物体形状设定X轴、Y轴电机的初始位置及运行轨迹的装置；

预测控制器(3)：用于根据位置给定器的给定值和前两个时刻的位置输出值，来预测下一时刻直线电机的位置及所需电机输入值的装置；

交叉耦合控制器(4)：用于根据对两轴之间耦合产生的轮廓误差的估计，来对两轴进行补偿的装置；

驱动器(5)：用于接收预测控制器和交叉耦合控制器的输出信号，根据该输出信号来控制X轴或Y轴的位置的装置；

所述交叉耦合控制器，包括：

轮廓误差估计器(4-1)：用于由位置给定器传递的设置值求微分得到速度信号，根据电机的速度输入信号和跟踪误差来对XY平台轮廓误差进行估计的装置；

轮廓误差补偿器(4-2)：用于根据轮廓误差求得轮廓误差补偿值，乘以增益后补偿到XY两轴的装置。

2.采用权利要求1所述的基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制装置对直驱XY平台控制的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据要加工物体的形状进行轨迹规划，确定X轴和Y轴的初始给定值；

步骤2：对XY轴位置采样，并与X轴及Y轴位置的给定值进行比较，获得位置偏差；

步骤3：采用预测控制器对单轴位置进行控制，调整X轴、Y轴的单轴位置；采用交叉耦合控制器对X轴及Y轴的轮廓误差进行估计和补偿，将经过预测控制器和交叉耦合控制器调整后的输出信号作为X轴及Y轴的位置输出，具体方法为：

步骤3-1：采集近2个时刻电机位置信号；

步骤3-2：将步骤3-1采集的电机位置信号和电机位置给定信号输入预测控制器中，对单轴干扰产生的误差进行补偿，实现对X轴或Y轴的单轴位置调整；

预测控制器，用于估算下一时刻X轴或Y轴的运行位置，所述的预测控制器的设计过程为：

步骤3-2-1：由于预测控制是在离散条件下运行的，先将电机传递函数表示为离散形式：                                                            (1)

式中，为k时刻的电机位置的预测估计值，、为k的前2个时刻电机的位置值，、为k的前2个时刻预测控制器的输出，且初始的，、、和为、、和的参数；

步骤3-2-2：根据电机离散形式的表达式求电机位置的一步预测估计值，公式为：

               (2)

式中，为k+1时刻电机位置的预测估计值，、为k时刻及k-1时刻电机的位置值，对电机位置进行2步预测的估计值为：

    (3)

式中，为k+2时刻电机位置的预测估计值，为k-2个时刻预测控制器的输出；

步骤3-2-3：采用预测值最优化准则函数对预测控制器输出的电机位置的预测估计值进行优化；

所述预测值最优化准则函数，公式如下：

        (4)

式中, w(k+1)、w(k+2)表示k+1时刻、k+2时刻给定的电机位置信号，为权重，当权重增加时电机的运行会更稳定，但是跟踪性能会变差；当J取最小值时即是输出的最优控制值，能够使电机的位置跟踪性能和稳定性达到最佳；   

将步骤3-2-2中计算的电机位置预测估计值代入到最优化准公式(4)，得到如下公式：

                                  (5)

式中，；

；

求当J取最小值时的和,即、，这样就求得了J最小值时的和,优化后的电机位置预测估计值，公式为:

                      (6)

步骤3-3:对步骤3-1采集到的电机位置信号求微分，得到电机运行速度；

步骤3-4:将电机的运行速度输入到交叉耦合控制器，求得轮廓误差补偿值；

步骤3-5:将轮廓误差补偿值补偿到上述预测控制器的输出中，补偿后的值作为驱动器的输入值；

步骤4：对X轴、Y轴电流进行采样

步骤5：分别对电流值进行三相静止坐标到两相旋转坐标的变换；

步骤6：利用交轴计算转矩，并求出转矩偏差；

步骤7：根据转矩偏差进行相电流调节

步骤8：对预测控制器输出电流值进行两相旋转坐标到三相静止坐标的变换；

步骤9：用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得PWM信号；

步骤10：PWM信号控制电力电子器件开通关断实现对电机相电流控制，进而对XY平台进行轮廓循迹的控制。