[发明专利]一种双轴运动控制系统的轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明设计一种双轴运动控制系统的轨迹跟踪控制方法，采用了基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制和交叉耦合控制相结合的复合控制方法，首先将永磁同步电机运动控制系统中的负载转矩、摩擦转矩、电流环的跟踪误差和轴间干扰作为系统的集总干扰，建立系统模型；然后根据两个单轴电机数学模型设计基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制算法以提高单轴的抗干扰性能和跟踪精度；而后采用圆形轮廓逼近法建立系统轮廓误差的估计模型，实时计算两轴间的轮廓误差；最后基于PI控制算法的交叉耦合轮廓控制器，对轮廓误差进行修正，并按轮廓误差模型分配到两轴进行补偿。提高了系统动态响应速度、改善了系统跟踪精度和轮廓精度，提升了系统抗干扰能力。

技术领域

本发明涉及一种应用于永磁同步电机双轴运动控制系统的轨迹跟踪控制方法，具体涉及一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制和交叉耦合控制相结合的复合控制方法，属于双轴运动控制系统协调控制领域。

背景技术

随着永磁同步电机运动控制技术的发展，对双轴运动控制系统控制精度要求越来越高。在永磁同步电机双轴运动控制系统中，不仅电机本身的摩擦扰动、负载扰动、模型参数的变化，还存在轴间干扰等系统不确定性因素，故设计一种高性能高精度的控制器应用于双轴运动控制系统中是至关重要的。

衡量双轴运动控制系统的控制精度有两个指标：跟踪精度和轮廓精度，相应的，对其控制方式也有两种：基于跟踪误差的控制和基于轮廓误差的控制。一般而言，轮廓精度是双轴运动控制系统最重要的指标，而改善系统轮廓精度的方式可分为两类：一种为通过改善两个单轴的跟踪精度以间接提高系统的轮廓精度，另一种为直接基于系统的轮廓误差设计轮廓控制器。

目前工业上永磁同步电机单轴位置跟踪算法常采用三环级联PI控制，在该控制方式下系统稳定性较高，可以达到一般的控制性能。但由于双轴运动控制系统中存在多种干扰以及不确定因素，基于该传统方案的系统难以达到高精度高性能的控制要求。随后学者们提出了零相位误差跟踪控制(ZPETC)应用于多轴运动控制系统以改善系统的伺服滞后，但该方案严重依赖系统模型，模型中的不确定性和未知干扰对控制性能产生较大影响。发明CN108363301A对单轴伺服电机使用了普通滑模控制算法，该方案的单轴位置跟踪误差是以指数的形式渐进收敛到零，故其始终存在跟踪误差。

先进的单轴运动控制算法可在一定程度上提高单轴的跟踪精度，但无法保证能够有效减少系统的轮廓误差，故轮廓控制器的设计是提高系统总体性能必不可少的环节。因此学者们提出了交叉耦合控制(CCC)来改善双轴运动控制系统的轮廓精度，并且该方案在仿真实验中取得良好的控制性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对永磁同步电机双轴运动控制系统，设计了一种基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制和交叉耦合控制相结合的复合控制器，即在两个单轴分别设计了基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制器以改善系统的跟踪精度和抗干扰性能，双轴间设计了交叉耦合轮廓控制器以提高系统的轮廓精度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种双轴运动控制系统的轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一，将系统中每个单轴的负载转矩、摩擦转矩、电流环的跟踪误差以及未知的轴间干扰作为各个单轴的集总干扰，建立单轴的永磁同步电机运动控制系统的模型；

步骤二，针对两个单轴的永磁同步电机伺服系统分别设计三阶的扩张状态观测器来估计本轴的集总干扰；

步骤三，在此基础上分别设计基于扩张状态观测器的非奇异终端滑模控制算法应用于两个单轴；

步骤四，采用圆形轮廓逼近法建立双轴运动控制系统的轮廓误差估计模型，对双轴系统的轮廓误差进行实时估算；

步骤五，根据建立的轮廓误差估计模型，设计基于PI控制算法的交叉耦合轮廓控制器，控制器的输出量基于双轴的信息实时修正两轴的权重，并按权重分配到两轴对系统轮廓误差进行补偿。