直線電機精密軌跡跟蹤裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種直線電機精密軌跡跟蹤裝置，包括分數(shù)階自抗擾控制器、第一求差電路、電流控制器、功率驅動放大器、電流傳感器和位移傳感器；分數(shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分數(shù)階控制器、求和電路和擴張狀態(tài)觀測器。本實用新型在普通自抗擾控制器的基礎上引入加速度前饋電路和分數(shù)階控制器，形成分數(shù)階自抗擾控制器，與普通自抗擾控制器相比，分數(shù)階自抗擾控制器能有效抑制系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對系統(tǒng)性能的影響，實現(xiàn)直線電機精密軌跡跟蹤控制性能。
【專利說明】
直線電機精密軌跡跟蹤裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種直線電機精密軌跡跟蹤裝置，具體涉及一種基于分數(shù)階自抗 擾控制器的直線電機精密軌跡跟蹤裝置，屬于直線電機運動控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 直線電機與傳統(tǒng)旋轉電機相比，取消了中間傳動環(huán)節(jié)，具有結構簡單、響應快、精 度和效率高等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)高速或低速、高精度等高性能直線運動，在現(xiàn)代工業(yè)、民用、 醫(yī)療、交通和軍事等領域具有廣泛的應用前景。
[0003] 但也正是由于缺少中間傳動環(huán)節(jié)的緩沖作用，直線電機更容易受到系統(tǒng)參數(shù)變 化、摩擦力和負載擾動力等因素影響，尤其是系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾，給直線電機的 精密軌跡跟蹤控制增加很大的難度。
[0004] 近年來，越來越多的先進控制算法被引入到直線電機的運動控制研究中，來獲得 良好的控制性能，如迭代學習控制、自適應魯棒控制和自抗擾控制等，其中自抗擾控制以其 實用性強、魯棒性好和不依賴精確的系統(tǒng)模型等優(yōu)點引起越來越多研究人員的重視。但現(xiàn) 有技術中，普通自抗擾控制器的最大優(yōu)勢只在于抵抗系統(tǒng)擾動能力強，而軌跡跟蹤控制精 度不高，無法較好地實現(xiàn)直線電機精密軌跡跟蹤控制。 【實用新型內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種直線電機精密軌跡跟蹤裝置。
[0006] 為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案是：
[0007]直線電機精密軌跡跟蹤裝置，包括分數(shù)階自抗擾控制器、第一求差電路、電流控制 器、功率驅動放大器、電流傳感器和位移傳感器;所述分數(shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述 裝置的輸入端，所述分數(shù)階自抗擾控制器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述第 一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端連接，所述電流控制器的輸出端與功率驅動放 大器的輸入端連接，所述功率驅動放大器的輸出端外接直線電機，所述電流傳感器的輸入 端與功率驅動放大器的輸出端連接，所述電流傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連 接，所述位移傳感器的輸入端外接直線電機，所述位移傳感器的輸出端與分數(shù)階自抗擾控 制器的輸入端連接。
[0008]所述分數(shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分 數(shù)階控制器、求和電路和擴張狀態(tài)觀測器;所述第二求差電路的輸入端為所述分數(shù)階自抗 擾控制器的輸入端，所述第二求差電路的輸出端與分數(shù)階控制器的輸入端連接，所述分數(shù) 階控制器的輸出端與求和電路的輸入端連接，所述求和電路的輸出端為所述分數(shù)階自抗擾 控制器的輸出端，所述加速度前饋電路的輸入端與第二求差電路的輸入端連接，所述加速 度前饋電路的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第三求差電路的輸出端與求和電 路的輸入端連接，所述擴張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與求和電路的輸出端以及位移傳感器 的輸出端連接，所述擴張狀態(tài)觀測器的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第二求 差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出端連接。
[0009]本實用新型所達到的有益效果:本實用新型在普通自抗擾控制器的基礎上引入加 速度前饋電路和分數(shù)階控制器，形成分數(shù)階自抗擾控制器，與普通自抗擾控制器相比，分數(shù) 階自抗擾控制器能有效抑制系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對系統(tǒng)性能的影響，實現(xiàn)直線電 機精密軌跡跟蹤控制性能。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型的結構框圖。
[0011] 圖2是本實用新型中不同正弦軌跡跟蹤誤差對比圖。
[0012] 圖3是本實用新型中對系統(tǒng)參數(shù)攝動的抑制能力對比圖。
[0013]圖4是本實用新型中對外部擾動的抑制能力對比圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本 實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。
[0015] 如圖1所示，直線電機精密軌跡跟蹤裝置，包括分數(shù)階自抗擾控制器、第一求差電 路、電流控制器、功率驅動放大器、電流傳感器和位移傳感器。
[0016] 分數(shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，分數(shù)階自抗擾控制器的輸出 端與第一求差電路的輸入端連接，第一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端連接，電 流控制器的輸出端與功率驅動放大器的輸入端連接，功率驅動放大器的輸出端外接直線電 機，電流傳感器的輸入端與功率驅動放大器的輸出端連接，電流傳感器的輸出端與第一求 差電路的輸入端連接，位移傳感器的輸入端外接直線電機，位移傳感器的輸出端與分數(shù)階 自抗擾控制器的輸入端連接。
[0017] 分數(shù)階自抗擾控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分數(shù)階 控制器、求和電路和擴張狀態(tài)觀測器。
[0018] 第二求差電路的輸入端為所述分數(shù)階自抗擾控制器的輸入端，第二求差電路的輸 出端與分數(shù)階控制器的輸入端連接，分數(shù)階控制器的輸出端與求和電路的輸入端連接，求 和電路的輸出端為所述分數(shù)階自抗擾控制器的輸出端，加速度前饋電路的輸入端與第二求 差電路的輸入端連接，加速度前饋電路的輸出端與第三求差電路的輸入端連接，第三求差 電路的輸出端與求和電路的輸入端連接，擴張狀態(tài)觀測器的輸入端分別與求和電路的輸出 端以及位移傳感器的輸出端連接，擴張狀態(tài)觀測器的輸出端與第三求差電路的輸入端連 接，第二求差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出端連接。
[0019] 直線電機精密軌跡跟蹤裝置的跟蹤方法，包括以下步驟：
[0020] 步驟1，電流傳感器采集直線電機的實際動子電流i。
[0021] 步驟2,位移傳感器采集直線電機的實際運動位移X。
[0022] 步驟3，分數(shù)階自抗擾控制器接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡Xd和實際運動位 移X，輸出中間控制量Ui。
[0023]分數(shù)階自抗擾控制器中的處理過程為，
[0024] Al)加速度前饋電路接收被跟蹤的直線電機的目標軌跡Xd并進行處理；
[0025] 加速度前饋電路的處理公式為，
[0026]
[0027] 其中，毛為Xd的二階導數(shù)，即加速度前饋電路的輸出量，d為微分算子，t為時間；
[0028] A2)擴張狀態(tài)觀測器計算系統(tǒng)總和擾動的估計值Z3;
[0029]具體計算公式為，
[0030]
[0031] 其中，Z1為直線電機實際運動位移的估計值，z2為直線電機實際運動速度的估計 值，eo為Zi和X之間的誤差，b為控制量增益，β〇ι、β〇2、β()3為擴張狀態(tài)觀測器增益，fal(eo, 0.25,3)為非線性函數(shù)，3為&1(創(chuàng)，0.25,3)中線性段的區(qū)間長度；
[0032] fal(eo,0.25j)的具體公式為，
[0033]
[0034] 其中，α為冪指數(shù)，sgn( ·)為符號函數(shù)；
[0035] A3)分數(shù)階控制器進行分數(shù)階控制輸出；
[0036]具體計算公式為，
[0037] u〇i = KP( 1+Kdsu) · ei
[0038] 其中，UQ1為分數(shù)階控制器的輸出，KP、Kd為分數(shù)階控制器參數(shù)，s為拉普拉斯算子，μ 是取值為〇到1之間的實數(shù)，eiSxd和X之間的誤差，即第二求差電路的輸出，也是分數(shù)階控制 器的輸入；
[0039] A4)第三求差電路接收加速度前饋電路的輸出量3^.，計算輸出控制量u〇2，求和電 路根據(jù)UQl和UQ2計算出中間控制量Ul;
[0040] 計算公式為，
[0041]
[0042]
[0043] 步驟4,第一求差電路接收中間控制量m和實際動子電流i，將中間控制量m和實際 動子電流i比較后的誤差值e發(fā)送到電流控制器處理，電流控制器輸出實際電壓控制量u。 [0044]電流控制器中的處理公式為，
[0045] U=Kpi · e
[0046] 其中，e為Ui和i之間的誤差，KPi為電流控制器參數(shù)。
[0047] 步驟5,功率驅動放大器接收實際電壓控制量u，控制直線電機的運行。
[0048] 具體的數(shù)據(jù)流向為：電流傳感器用于采集直線電機的實際動子電流i，并傳輸至第 一求差電路，位移傳感器用于采集直線電機的實際運動位移X，并傳輸至分數(shù)階自抗擾控制 器，擴張狀態(tài)觀測器利用直線電機的實際運動位移X和上一個采樣時刻計算出的中間控制 量U1計算出三個狀態(tài)變量，分別為直線電機實際運動位移的估計值Z1、直線電機實際運動速 度的估計值Z 2和系統(tǒng)總和擾動的估計值Z3，其中Z3傳輸至第三求差電路，加速度前饋電路對 目標軌跡Xd進行二次微分后，得到目標軌跡Xd的二階導數(shù)七，并傳輸至第三求差電路，第二 求差電路將目標軌跡Xd和直線電機實際運動位移X比較作差后，得到差值ei，并傳輸至分數(shù) 階控制器，分數(shù)階控制器將差值 61進行控制計算，得出uQ1，并傳輸至求和電路，第三求差電 路將目標軌跡Xd的二階導數(shù)元和系統(tǒng)總和擾動的估計值Z 3進行比較計算，得出uQ2,并傳輸 至求和電路，求和電路將UQ1和UQ 2進行求和計算后，得出中間控制量m，并傳輸至第一求差電 路，第一求差電路將中間控制量U1和直線電機的實際動子電流i進行比較計算得出誤差值 e，并傳輸至電流控制器，電流控制器將e進行控制計算后得出實際控制量u，并傳輸至功率 驅動放大器，功率驅動放大器產生相應的電壓信號，從而控制所述直線電機運行。
[0049] 為了進一步說明，進行對比試驗。
[0050] 如圖2所示，目標軌跡分別為正弦軌跡Sl:xd = 25sin(4t-0.53T)+25(mm)和正弦軌 跡S2:xd = 50sin(9t-0.53i)+50(mm)時，兩種控制器的軌跡跟蹤誤差對比圖，這兩種控制器 分別為普通自抗擾控制和分數(shù)階自抗擾控制。從圖中可以看出，分數(shù)階自抗擾控制器的跟 蹤誤差小，控制精度高，實現(xiàn)直線電機的精密軌跡跟蹤控制。
[0051] 如圖3所示，系統(tǒng)參數(shù)攝動下兩種控制器的正弦軌跡跟蹤誤差對比圖，這里系統(tǒng)參 數(shù)（即運動部分的質量）由0.25kg變?yōu)?5kg。從圖中可以看出，分數(shù)階自抗擾控制器對系統(tǒng) 參數(shù)攝動具有較強的抑制能力。
[0052]圖4所示，在外部擾動作用下兩種控制器的正弦軌跡跟蹤誤差對比圖，這里在0.4-1.1秒之間給系統(tǒng)施加15N的作用力，模擬突變的外部擾動作用。從圖中可以看出，基于分數(shù) 階自抗擾控制器的軌跡跟蹤裝置對外部擾動同樣具有很強的抑制能力。
[0053]綜上所述，本實用新型在普通自抗擾控制器的基礎上引入加速度前饋電路和分數(shù) 階控制器，形成分數(shù)階自抗擾控制器，與普通自抗擾控制器相比，分數(shù)階自抗擾控制器能有 效抑制系統(tǒng)非線性因素和不確定干擾對系統(tǒng)性能的影響，實現(xiàn)直線電機精密軌跡跟蹤控制 性能。
[0054]以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改 進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1. 直線電機精密軌跡跟蹤裝置，其特征在于：包括分數(shù)階自抗擾控制器、第一求差電 路、電流控制器、功率驅動放大器、電流傳感器和位移傳感器； 所述分數(shù)階自抗擾控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，所述分數(shù)階自抗擾控制器的 輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述第一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端 連接，所述電流控制器的輸出端與功率驅動放大器的輸入端連接，所述功率驅動放大器的 輸出端外接直線電機，所述電流傳感器的輸入端與功率驅動放大器的輸出端連接，所述電 流傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述位移傳感器的輸入端外接直線電 機，所述位移傳感器的輸出端與分數(shù)階自抗擾控制器的輸入端連接。2. 根據(jù)權利要求1所述的直線電機精密軌跡跟蹤裝置，其特征在于:所述分數(shù)階自抗擾 控制器包括加速度前饋電路、第二求差電路、第三求差電路、分數(shù)階控制器、求和電路和擴 張狀態(tài)觀測器； 所述第二求差電路的輸入端為所述分數(shù)階自抗擾控制器的輸入端，所述第二求差電路 的輸出端與分數(shù)階控制器的輸入端連接，所述分數(shù)階控制器的輸出端與求和電路的輸入端 連接，所述求和電路的輸出端為所述分數(shù)階自抗擾控制器的輸出端，所述加速度前饋電路 的輸入端與第二求差電路的輸入端連接，所述加速度前饋電路的輸出端與第三求差電路的 輸入端連接，所述第三求差電路的輸出端與求和電路的輸入端連接，所述擴張狀態(tài)觀測器 的輸入端分別與求和電路的輸出端以及位移傳感器的輸出端連接，所述擴張狀態(tài)觀測器的 輸出端與第三求差電路的輸入端連接，所述第二求差電路的輸入端還與位移傳感器的輸出 端連接。
【文檔編號】G05B13/02GK205427466SQ201620153220
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月29日
【發(fā)明人】施昕昕, 黃家才, 李宏勝
【申請人】南京工程學院