面向芯片封裝的直線伺服系統(tǒng)的高速高精運(yùn)動(dòng)控制.pdf

1、隨著產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)率要求的不斷提高，越來越多的機(jī)械系統(tǒng)提出了高速、高精度的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)。這些指標(biāo)給運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)提出了更高要求。尤其是面向芯片封裝的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由于芯片尺寸越來越小，行程越來越短，而且已面臨極限工況，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的運(yùn)動(dòng)控制器以實(shí)現(xiàn)高速高精度運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。 本文以面向芯片封裝的一類直線伺服原型系統(tǒng)——直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為研究對象，主要針對系統(tǒng)中存在的四種擾動(dòng)因素：摩擦、外部擾動(dòng)、模型攝動(dòng)和延時(shí)擾

2、動(dòng)，重點(diǎn)研究、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有強(qiáng)抗擾能力、強(qiáng)魯棒性的高性能控制器，以使系統(tǒng)在高加速度工況下獲得高精度的運(yùn)動(dòng)性能。 首先，針對影響系統(tǒng)性能的兩大因素：摩擦力和外部擾動(dòng)，提出了三種控制方案。一、提出基于LuGre動(dòng)態(tài)模型的摩擦力補(bǔ)償控制。本文通過引入?yún)?shù)自適應(yīng)和狀態(tài)觀測器，以及離線擬合模型參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了基于LuGre模型的摩擦力補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該摩擦力補(bǔ)償方案能夠大大減少動(dòng)態(tài)跟蹤誤差和提高穩(wěn)態(tài)定位精度。二、提出基于LuGre模

3、型的摩擦補(bǔ)償與干擾觀測器相結(jié)合的控制方案。該方案中的摩擦補(bǔ)償部分與前面提出的基于LuGre模型的摩擦補(bǔ)償基本相同，只是狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)稍有不同。另外，所有的摩擦力模型參數(shù)都采用了固定的估計(jì)值。干擾觀測器的采用主要有兩個(gè)目的：消除系統(tǒng)受到的外部擾動(dòng)，以及進(jìn)一步消除沒有被摩擦補(bǔ)償消除掉的摩擦力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了該控制方案的有效性。三、針對干擾觀測器(DOB)存在的問題，提出一種改進(jìn)型干擾觀測器結(jié)構(gòu)(IDOB)。該結(jié)構(gòu)原理簡單、計(jì)算簡便，

4、而且提供了更多可供調(diào)節(jié)的參數(shù)，因此在一定程度上緩解了系統(tǒng)的抗干擾性能與穩(wěn)定魯棒性之間的矛盾。實(shí)驗(yàn)比較了IDOB和DOB。結(jié)果表明：IDOB具有更好的動(dòng)靜態(tài)性能。 然后，針對模型攝動(dòng)、外部擾動(dòng)和延時(shí)擾動(dòng)，提出具有前饋控制的魯棒內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)，以同時(shí)提高系統(tǒng)的抗干擾性能和魯棒性。該控制方案在速度環(huán)采用內(nèi)?？刂疲饕龜_動(dòng)的影響；位置環(huán)采用魯棒控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性。另外，為了消除系統(tǒng)延時(shí)，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，還采用

5、了零相誤差跟蹤前饋控制器。通過比較實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提控制方案的各組成部分的性能。 最后，以同時(shí)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、抗擾能力和魯棒性為目的，提出了基于軟變結(jié)構(gòu)控制和延時(shí)控制的方案。通過連續(xù)配置系統(tǒng)極點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離虛軸，系統(tǒng)的響應(yīng)越來越快。同時(shí)，采用延時(shí)控制消除系統(tǒng)的擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的抗擾魯棒性。仿真和實(shí)驗(yàn)都證明了這種控制方案使得系統(tǒng)響應(yīng)較快，而且還具有較強(qiáng)的抗擾性能和較高的定位精度。 為便于文中所提控制方案的實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)研究，本文還編

6、制了一套高速高精運(yùn)動(dòng)平臺(tái)測控軟件(MotionEyes)，該軟件已獲得軟件著作權(quán)。MotionEyes包括兩部分：上層界面程序，由VC++編制。主要完成用戶參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示和結(jié)果顯示等任務(wù)；底層控制程序，基于RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)，主要負(fù)責(zé)完成采樣、控制、狀態(tài)檢測等實(shí)時(shí)性要求比較高的任務(wù)。 基于MotionEyes軟件平臺(tái)，本文所提出的各種控制方案在X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究與分析，充分驗(yàn)證了各種控制方案的優(yōu)良性