基于模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器的xy運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輪廓控制方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器（FCMAC)設(shè)計(jì)單軸速度控制器間接 減小輪廓誤差的方法與裝置，特別涉及一種基于模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器的ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 輪廓控制方法與裝置，屬于自動(dòng)化控制以及數(shù)控領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界各國(guó)裝備制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)提高制造能力和水平。大力發(fā)展以數(shù) 控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家 地位的重要途徑之一。ΧΥ數(shù)控平臺(tái)系統(tǒng)的精密輪廓跟蹤控制在數(shù)控機(jī)床中具有代表性，對(duì) 提高數(shù)控系統(tǒng)加工精度和性能具有重要的作用。
[0003] ΧΥ平臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)是由軸向方向上相互垂直的兩臺(tái)永磁直線同步電機(jī)（PMLSM)直 接驅(qū)動(dòng)而成，用以完成精密軌跡的加工運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的間接驅(qū)動(dòng)方式，直線電機(jī)直接驅(qū) 動(dòng)方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，伺服系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、端部效應(yīng)和摩擦力擾動(dòng)等不確定性更 為敏感，增加了電氣控制上的難度，使其伺服性能降低。隨著對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的精度和速度的要 求越來(lái)越高，對(duì)伺服控制器也提出了更高的要求。提高加工速度可以縮短加工時(shí)間，提高加 工效率，然而在ΧΥ平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速加工時(shí)，若跟蹤軌跡有較劇烈的變化或者輪廓軌跡上存在 較大彎曲，導(dǎo)致輪廓跟蹤誤差增大，嚴(yán)重影響輪廓加工精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就在于解決現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和大量試驗(yàn)后提供 一種基于模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器的ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輪廓控制方法與裝置。本發(fā)明為了在加 工精度和加工速度之間取得平衡，解決ΧΥ平臺(tái)高速度和高精度之間的矛盾，設(shè)計(jì)了 FCMAC 速度控制器，它兼具快速性和自學(xué)習(xí)能力，能準(zhǔn)確及時(shí)地抑制不確定因素對(duì)加工系統(tǒng)的影 響，達(dá)到減小直接驅(qū)動(dòng)ΧΥ平臺(tái)單軸跟蹤誤差，進(jìn)而間接減小ΧΥ平臺(tái)的輪廓誤差的目的。
[0005] 本發(fā)明給出的這種基于模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器的ΧΥ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輪廓控制裝置， 其特征在于該裝置包括電壓調(diào)整電路、整流濾波單元、ΙΡΜ逆變單元、數(shù)字信號(hào)處理器DSP 的事件管理器、霍爾傳感器、光柵尺、電流采樣電路、位置采樣電路和ΙΡΜ隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電 路，其中DSP內(nèi)還設(shè)置有位置信號(hào)給定器、直線電機(jī)信號(hào)采集器以及ΡΙ控制器、FCMAC控制 器和驅(qū)動(dòng)器，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)電流、欠電壓等故障，DSP將封鎖PWM輸出信號(hào)，以保護(hù) IPM模塊。
[0006] 交流電壓輸出至整流濾波單元輸入端，整流濾波單元輸出端接入IPM逆變單元， IPM與電機(jī)相連，電機(jī)機(jī)身裝有光柵尺，光柵尺連接位置采樣電路輸入端，霍爾傳感器采集 電機(jī)電流信號(hào)，輸出至電流采樣電路，電流采樣電路輸出端和位置采樣電路輸出端均接入 DSP，DSP輸出信號(hào)至電壓調(diào)整電路輸入端和IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，電壓調(diào)整電路對(duì)交流 電壓進(jìn)行調(diào)整，IPM隔離驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路接入IPM逆變單元。速度和位置信號(hào)是通過(guò)分辨率 為400線的增量式光電編碼器來(lái)檢測(cè)的，它產(chǎn)生脈沖信號(hào)A和B，送至DSP的事件捕獲口，利 用捕獲口單元的計(jì)數(shù)功能得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，位置由Z信號(hào)獲得。
[0007] 本發(fā)明給出的這種的于模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器的XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輪廓控制方法， 其特點(diǎn)是：用FCMAC設(shè)計(jì)速度控制器，減小跟蹤誤差，進(jìn)而間接地提高直接驅(qū)動(dòng)XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 的輪廓加工精度，包括步驟如下：
[0008] 步驟1 :由TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)的位置信號(hào)給定器提供給XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 兩軸相應(yīng)的位置信號(hào)指令，作為兩軸的位置控制量輸入；
[0009] 步驟2 :通過(guò)信號(hào)采集器對(duì)位置、速度以及電流信號(hào)進(jìn)行采樣且通過(guò)兩軸給定與 實(shí)際輸出的比較獲得位置偏差信號(hào)；
[0010] 步驟3 :通過(guò)DSP內(nèi)置的PI位置控制器調(diào)節(jié)單軸的位置偏差信號(hào)，采用輪廓誤差 計(jì)算器計(jì)算出任意軌跡的輪廓誤差量并通過(guò)內(nèi)置的輪廓誤差補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償控制，然后 將兩者控制的輸出作為速度驅(qū)動(dòng)裝置FCMAC的輸入；
[0011] 步驟4 :通過(guò)速度信號(hào)采集器確定直線電機(jī)的速度；
[0012] 步驟5 :通過(guò)光柵尺采樣，在TMS320F2812數(shù)字處理器內(nèi)比較后，執(zhí)行FCMAC控制 器；
[0013] 步驟6 :通過(guò)內(nèi)置的電流采樣裝置進(jìn)行電流采樣且在DSP內(nèi)比較后，執(zhí)行PI控制 器；
[0014] 步驟7 :對(duì)電流值進(jìn)行3/2變換；
[0015] 步驟8 :利用旋轉(zhuǎn)的q軸計(jì)算出轉(zhuǎn)矩；
[0016] 步驟9 :對(duì)輸出計(jì)算轉(zhuǎn)矩進(jìn)行2/3變換；
[0017] 步驟10 :對(duì)變換后的電流值作為載波與三角波調(diào)制，讓數(shù)字信號(hào)處理器DSP產(chǎn)生 六路PWM脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的兩軸按照電流指令的大小進(jìn)行給定輪廓軌跡加工運(yùn) 動(dòng)；
[0018] 整流濾波電路把三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電給IPM逆變單元供電，IPM逆變單元根 據(jù)DSP產(chǎn)生的六路PWM脈沖信號(hào)對(duì)IPM逆變單元內(nèi)的六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn) 行控制，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)行。
[0019] 步驟3中所述的采用輪廓誤差計(jì)算器計(jì)算出任意軌跡的輪廓誤差量并通過(guò)內(nèi)置 的輪廓誤差補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償控制，然后將兩者控制的輸出作為速度驅(qū)動(dòng)裝置FCMAC的輸 入，包括步驟如下：
[0020] 步驟3-1 :PMLSM的運(yùn)動(dòng)方程為^二+ 其中Kf是推 力系數(shù)，iq是動(dòng)子q軸電流，Mi是動(dòng)子的總質(zhì)量，Di為粘滯摩擦和鐵耗系數(shù)，F(xiàn)u包括外部擾 動(dòng)和兩軸之間存在的交叉耦合干擾，是摩擦力。為了方便起見(jiàn)，省略了所有的下標(biāo)i， 則PMLSM的動(dòng)態(tài)方程可變>
[0021] 步驟3-2:根據(jù)實(shí)時(shí)的位置、速度以及電流信號(hào)和位置偏差信號(hào)計(jì)算出輪廓誤差 值，任意軌跡的輪廓誤差值可由s 表示，其中，札(t)為期望軌跡的加 工位置，Pi (t)為實(shí)際軌跡的加工位置，IV (t)是期望軌跡上的一點(diǎn)，匕是乂軸跟蹤誤差， ey是Y軸跟蹤誤差，Φ是X軸與直線札私'的夾角，ε為輪廓誤差為Pdt)到直線lyV的 距離。
[0022] 步驟3-3 :對(duì)于模型參數(shù)的攝動(dòng)和外界干擾的影響，設(shè)計(jì)FCMAC速度控制器，F(xiàn)CMAC 既具有CMAC較強(qiáng)的逼近能力又具有模糊控制器很好的自適應(yīng)能力，而且能夠提高系統(tǒng)的 抗擾能力。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，F(xiàn)CMAC的輸入變量為軌跡跟蹤誤差e和誤差的變化率~當(dāng) 單軸跟蹤誤差存在時(shí)，假設(shè)FCMAC的期望輸出為I,實(shí)際輸出為y，定義目標(biāo)誤差函數(shù)為
[0023] 、 ⑴
[0024] 網(wǎng)絡(luò)采用誤差反向傳播算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，則聯(lián)想強(qiáng)度ωη通過(guò)如下方式來(lái)調(diào)整
[0025]
[0026] 其中
]:為第三層第η個(gè)神經(jīng)元的輸出，Xl = e或η y 為學(xué)習(xí)速率，i = 1，2, j = 1，2…5, n為正整數(shù)。
[0027] 則聯(lián)想強(qiáng)度的迭代公式為
[0028] ωη(1〇 = ωη(1<-1) + Δ con(k) + a (con(k-l)-c〇n(k-2)) ⑶
[0029] 其中α為慣性系數(shù)，n為正整數(shù)。
[0030] 高斯隸屬函數(shù)中心值和寬度值分別通過(guò)如下方式來(lái)調(diào)整
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 其中
；第三層第η個(gè)神經(jīng)元的輸出，
]為第二層第η個(gè)神經(jīng)元的輸出
Π 為學(xué)習(xí)速率，i = 1，2, j = 1，2···5, η為正整數(shù)。
[0036] 則高斯隸屬函數(shù)中心值和寬度值的迭代公式為
[0037] Cij (k) = Cij (k_l) + Δ Cij (k) + a (Cij (k_l)(k_2)) (7)
[0038] b； j (k) = b； j (k-1) + Δ b； s (k) + a (b； s (k~l) -b； s (k~2)) (8)
[0039] 其中 a 為慣性系數(shù)，i = 1，2, j = 1，2··· 5。
[0040] FCMAC的輸出為
[0041]
(9)
[0042] 其中％為第四層第η個(gè)神經(jīng)元的輸出
-]為第三層第η個(gè) 神經(jīng)元的輸出，ωη〇〇 = ωη〇?-1) + Δ ωη〇〇 + α (con(k-l)-c〇n(k-2))，i = 1，2, j = 1，2... 5, n為正整數(shù)。
[0043] 圖3中的f(e，de)為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之差通過(guò)FCMAC學(xué)習(xí)算法 計(jì)算得到聯(lián)想強(qiáng)度的增量，以對(duì)聯(lián)想強(qiáng)度進(jìn)行在線調(diào)整。
[0044] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：針對(duì)軸向相互垂直運(yùn)動(dòng)的XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)控 進(jìn)給系統(tǒng)，提出了基于模糊小腦模型關(guān)節(jié)控制器的XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輪廓控制方法與裝置。此裝 置能夠?qū)θ我廛壽E進(jìn)行跟蹤作業(yè)，并且FCMAC既具有CMAC較強(qiáng)的逼近能力又具有模糊控制 器很好的自適應(yīng)能力。在不失魯棒性的前提下，對(duì)XY平臺(tái)進(jìn)行間接控制，有效地減小了系 統(tǒng)的跟蹤誤差，進(jìn)而提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的輪廓精度。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于FCMAC的XY平臺(tái)交叉耦合控制系統(tǒng)框圖；
[0046] 圖2為本發(fā)明所設(shè)計(jì)任意軌跡的實(shí)時(shí)輪廓誤差模型圖；
[0047] 圖3為本發(fā)明所設(shè)計(jì)FCMAC結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048] 圖4為本發(fā)明所設(shè)計(jì)裝置及方法的整體流程圖；
[0049] 圖5為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件圖：<