[发明专利]一种双轴运动平台的定位与动态轨迹跟踪控制装置及方法

权利要求书

1.一种双轴运动平台的定位与动态轨迹跟踪控制装置，包括：DSP处理器；用于将光栅尺采集的位置速度信号转化为可被DSP识别的数字量的位置速度检测电路；用于采集电机电流并将电流模拟量转变为DSP可以识别的数字量的电流检测电路；用于对DSP进行参数设置和DSP处理结果进行显示的按键显示板；

DSP处理器与按键显示板相连接；DSP处理器还依次通过功率接口板、IGBT驱动板和两组三相半桥IGBT组与构成双轴运动平台的X轴永磁同步直线电机和Y轴永磁同步直线电机相连；每个永磁同步直线电机的输出端连接光栅尺、光栅尺与位置速度检测电路相连，然后将检测的位置速度信号通过功率接口板送至DSP处理器的一路输入端；每个永磁同步直线电机的电流输入线路上连接霍尔传感器，霍尔传感器与电流检测电路相连，然后将检测的电流信号通过功率接口板送至DSP处理器的另一路输入端；

其特征在于：所述DSP处理器内还设置有位置给定器、变速切换控制器和主位置控制器；

所述的位置给定器用于根据指令运动轨迹的形状，分别对X轴永磁同步直线电机与Y轴永磁同步直线电机的初始位置坐标及实时运动位置坐标进行设定；

所述的变速切换控制器：根据定位控制指令发出的时刻，预设时刻t₀、t₁、t₂、t₃，并分别在时间段(t₀～t₁)、(t₁～t₂)、(t₂～t₃)内依次完成双轴运动平台的等加速度控制、等速度控制与等减速度控制；

所述的主位置控制器：在实时进行的动态轨迹跟踪控制过程中，通过选取双重Lyapunov函数，初步设计反演滑模控制律，再结合自适应方法，实时修正该控制律，并将修正后的控制律反馈至系统，以消除双轴运动平台执行动态轨迹跟踪过程中产生的跟踪误差。

2.一种双轴运动平台的定位与动态轨迹跟踪控制方法，采用权力要求1所述的装置，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：根据指令运动轨迹的形状，分别对X轴永磁同步直线电机与Y轴永磁同步直线电机的初始位置及实时运动位置坐标进行设定，两个直线电机接收到指令信号后开始运动；

步骤2：对每个直线电机的实际位置进行采样、并确定每个直线电机的实际速度；

步骤3：将每个直线电机的实测位置与指令位置进行比较、每个直线电机的实测速度与指令速度进行比较，分别获得每个直线电机的位置跟踪误差和转速偏差；

步骤4：实时查询是否收到定位控制指令，是，则执行步骤5；否，则执行步骤6；

步骤5：进行双轴运动平台的定位控制时，根据定位控制指令发出时刻，预设时刻t₀、t₁、t₂、t₃，并分别在时间段(t₀～t₁)、(t₁～t₂)、(t₂～t₃)内依次完成双轴运动平台的等加速度控制、等速度控制与等减速度控制后，执行步骤6；具体包括如下步骤：

步骤5-1：在t₀时刻，进行双轴运动平台的等加速度控制：预设直线电机等加速度值a₁，且设计加速度滑动平面s₁，为使得负定，即使s₁稳定收敛，设计等加速度控制参数h₁和h₂，使得s₁、h₁和h₂满足式(1)和式(2)，以保证直线电机能够在时间段(t₀～t₁)持续以等加速度值a₁运动；

s1s·1=s1(z·1-1a1x2x·2)=s1x2[1+1a1M(Bx2-Kfh1-Kfh2x2+FD)]---(1)]]>

h1>|a1M+FDKf|h2>|BKf|---(2)]]>

式中，M为直线电机负载质量，z₁为直线电机的位置跟踪误差，x₂为z₁的一阶微分，B为粘滞摩擦系数，F_D为外部干扰力，K_f为电磁推力系数；

步骤5-2：当到达t₁时刻时，进行双轴运动平台的等速度控制；预设直线电机等速度值v_d，且利用速度偏差设计等速度滑动平面s₂，为使得负定，即使得s₂稳定收敛，设计等速度控制参数h₃和h₄，使得s₂、h₃和h₄满足式(3)、(4)和式(5)，以保证直线电机能够在时间段(t₁～t₂)持续以等速度值v_d运动；

s₂＝x₂-v_d(3)

s2s·2<0---(4)]]>

h3>|FDKf|h4>|BKf|---(5)]]>

步骤5-3：当到达t₂时刻时，进行双轴运动平台的等减速度控制；预设直线电机的等减加速度值a₂，且设计等减速度滑动平面s₃，为使得负定，即使s₃稳定收敛，设计等减速度控制参数h₅和h₆，使得s₃、h₅和h₆满足式(6)、(7)和式(8)，以保证直线电机能够在时间段(t₂～t₃)持续以等减加速度值a₂运动；

s3=z1+12a2x22---(6)]]>

s3s·3<0---(7)]]>

hs>|FD-a2MKf|h6>|BKf|---(8)]]>

步骤5-4：当到达t₃时刻时，执行步骤6；

步骤6：在实时执行的动态轨迹跟踪控制过程中，通过选取Lyapunov函数，初步设计反演滑模控制律即永磁同步直线电机的控制电流，再结合自适应方法，实时修正该控制律，并将修正后的控制律即修正后的输入电流反馈至系统，以消除双轴运动平台执行动态轨迹跟踪过程中产生的跟踪误差；具体包括如下步骤：

步骤6-1：建立第一个稳定函数b₁为：

z₁＝Y-Y_d(9)

b₁＝c₁z₁(10)

式中c₁为任意正数，Y_d为直线电机初始给定位置，Y为直线电机实测位置；

步骤6-2：在第一个稳定函数b₁的基础上，建立第二个稳定函数b₂为：

b2=z·1+b1---(11)]]>

步骤6-3：选取双重Lyapunov函数V₁、V₂，通过保证V₂大于零，V₂的导数负定，初步设计反演滑模控制律U，使得当t→∞时，系统状态变量z₁与b₂收敛到零；

步骤6-3-1：选取第一个Lyapunov函数V₁，如式(12)所示，并对V₁求导，结果由式(13)表示；

V1=z122---(12)]]>

V·1=z1z·1=z1(b2-b1)=z1z2-c1z12---(13)]]>

步骤6-3-2：定义一个滑模面σ，如式(14)所示，并根据Lyapunov函数V₁，选取第二个Lyapunov函数V₂由式(15)表示；

σ＝k₁z₁+b₂(14)

V2=V1+σ22---(15)]]>

式中，k₁为任意常数；

步骤6-3-3：对V₂求导，结果由式(16)表示；

V·2=V·1+σσ·=z1b2-c1z12+σ(k1z·1+b·2)=z1b2-c1z12+σ[k1(b2-c1z1)+Am(b2+Y·d-b1)+BmU+D-Y··r+b·1]---(16)]]>

步骤6-3-4：为保证V₂正定，负定，初步设计反演滑模控制律为：

U=Bm-1[-k1(b2-c1z1)-Am(b2+Y·d-b1)-D sgn(σ)+Y··d-b·1-h(σ+β sgn(σ))]---(17)]]>

式中A_m、B_m与C_m为直线电机参数；D为系统总干扰量；

步骤6-4：结合自适应方法，实时修正控制律，并将修正后的控制律反馈至系统，以消除双轴运动平台执行动态轨迹跟踪过程中产生的跟踪误差；

步骤6-4-1：进一步选择式(18)所示的Lyapunov函数V₃，并对V₃求导得到如式(19)所示；

V3=V2+12γD~2---(18)]]>

V·3=z1z2-c1z12+σ[k1(b2-c1z1)+Am(b2+Y·d-a1)+BmU+D-Y··d+a·1]-1γD‾(D^·-γσ)---(19)]]>

其中代表系统总干扰量估测误差，代表系统总干扰量的估计值，γ为正数；

步骤6-4-2：通过使负定，实时修正控制律U，获得自适应反演滑模控制输入电流为：

U=Bm-1[-k1(b2-c1z1)-Am(b2+Y·d-a1)-D^+Y··d-a·1-h(σ+βsgn(σ))]---(20)]]>

D^·=γσ]]>

其中为自适应控制律；

步骤7：对每个直线电机的电流进行采样；

步骤8：分别将每个直线电机的采样电流进行三相静止坐标到两相旋转坐标的变换；

步骤9：通过直线电机交轴电流计算电磁推力，并实时求出当前计算的电磁推力与前一次计算的电磁推力之间的偏差，并根据该推力偏差实时进行直线电机的电流调节；

步骤10：对直线电机调节后的电流值进行两相旋转坐标到三相静止坐标的变换，并将变换得到的电流值作为载波与三角波调制获得PWM信号；

步骤11：DSP处理器产生相应的两组六路PWM脉冲信号，分别驱动X轴永磁同步直线电机与Y轴永磁同步直线电机运行。