CN103414419A - 基于模糊rbf网络滑模的双直线电机轮廓补偿装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明是针对轴向互相垂直运动的双直线电机数控进给***，发明了一种基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置与方法。以实时轮廓误差作为该控制器的输入，通过其强大的自学习能力使轮廓误差在有限的时间内趋近于零，提高轮廓加工精度。该装置包括整整流稳压单元、IPM逆变器、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流检测单元、位置速度检测单元、光耦隔离电路、驱动保护电路以及故障检测和保护电路。其中DSP包括事件管理器EVA的正交编码脉冲QEP电路、ADC模块、PWM单元、Flash存储器单元、程序存储器、定时器以及PDPINT引脚且DSP内还置有位置信号给定器、直线电机位置环、速度环以及电流环的PI控制器、轮廓误差计算器、模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿器和驱动器装置。本发明鲁棒性好且适用于任意轨迹的轮廓加工任务，能实现高精度的轮廓控制。

Description

基于模糊RBF网络滑模的双直线电机轮廓补偿装置与方法

技术领域

本发明属于自动化控制以及数控领域，特别涉及一种基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置与控制方法。

背景技术

随着科技的不断发展，在自动控制***强有力的支撑下，伺服***发展迅速，几乎在各个领域都有所应用。这也使得在工业化进程加速的今天，对生产设备的精度要求也越随之变高，可以说它在很大程度上其衡量着一个国家的综合国力和科技水平。数控机床也因此成为当代机械制造业的加工母机。它能给国家的各个部门提供所需的装备，是工业生产争夺技术优势的制高点，也是运用高新技术产业改造和提升传统行业的关键部分，对实现企业高效率生产及强有的竞争具有重大意义，促使工业生产快速发展。作为先进制造技术的核心——数控技术，以双直线电机直接驱动的平台***最具有代表性，其轮廓跟踪控制能力对提高***加工精度和性能具有十分重要的作用。

直接驱动方式省去了一切中间的传递环节，虽然带来了响应速度快，效率高等优点，但是也增加了电气控制上的难度。为了提高双直线电机进给控制***的轮廓精度，很多方法侧重于对直线电机单轴进行控制器的设计，通过减少跟随误差进而减少轮廓误差，但是仅仅这样是解决不了双轴之间存在的动态不匹配以及任意轨迹跟踪轮廓误差模型复杂等问题。

发明内容

针对现有控制技术中存在的不足，本发明提供了一种基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置，将智能控制与现代控制方案相结合设计控制器并且由DSP实现控制,从而达到高精度的加工要求。

本发明所设计的控制装置包括整流稳压单元、IPM逆变器、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流检测单元、位置速度检测单元、光耦隔离电路、驱动保护电路以及故障检测和保护电路。其中DSP包括事件管理器EVA的正交编码脉冲电路QEP、ADC模块、PWM单元、Flash存储器单元、程序存储器、定时器以及PDPINT引脚且DSP内还置有位置信号给定器、直线电机位置环、速度环以及电流环的PI控制器、轮廓误差计算器、模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿器和驱动器装置。

a：位置信号给定器：用于根据规划加工的任意轨迹去设定双直线电机各个轴的初始位置及运行轨迹的装置；

b：直线电机位置环、速度环以及电流环的PI控制器：用于电流信号、位置信号和速度信号控制的装置；

c：轮廓误差计算器：用于根据位置信号给定器的位置信号值取微分以后获得速度信号，再根据位置、速度以及位置偏差信号进行轮廓误差计算的装置；

d：模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿器：用于补偿两轴之间因为轮廓误差对轮廓加工精度影响的装置；

e：驱动器：用于接收单轴位置环控制器输出和模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿控制器输出信号，并通过该控制器的输出信号进行双直线电机速度环信号给定的装置；

采用基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置进行轮廓加工的方法，包括步骤如下：

步骤1：由TMS320F2812数字信号处理器内的位置信号给定器提供给双直线电机两轴相应的位置信号指令，作为两轴的位置控制量输入；

步骤2：通过电流、位置以及速度检测单元对位置、速度以及电流信号进行采样且通过两轴给定与实际输出的比较获得位置偏差信号；

步骤3：通过PI位置控制器调节单轴的位置偏差信号，采用轮廓误差计算器计算出任意轨迹的轮廓误差量并通过基于模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿装置进行补偿控制，然后将两者控制的输出作为位置驱动装置的输入；

步骤4：通过速度信号检测单元确定直线电机的速度；

步骤5：通过光栅尺采样速度信号，在TMS320F2812数字处理器内比较后，执行速度环PI控制器；

步骤6：通过内置的电流采样装置进行电流采样且在DSP内比较后，执行电流环PI控制器；

步骤7：对电流值进行3/2变换；

步骤8：利用旋转的q轴计算出转矩；

步骤9：对输出计算转矩进行2/3变换；

步骤10：对变换后的电流值作为载波与三角波调制，让数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动双直线电机的两轴按照电流指令的大小进行给定轮廓轨迹加工运动；

整流稳压电路把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。

步骤3中所述的采用轮廓误差计算器计算出任意轨迹的轮廓误差量并通过内置的轮廓误差补偿装置进行补偿控制，然后将两者控制的输出作为位置驱动装置的输入，包括步骤如下：

步骤3-1：根据实时的位置、速度以及电流信号和位置偏差信号计算出轮廓误差值且任意轨迹的轮廓误差值可由ε＝-e_x·sinφ+e_y·cosφ表示且满足x轴跟踪误差是e_x；y轴跟踪误差是e_y；x轴与给定路径上一点和期望位置之间连线的夹角是φ.

步骤3-2：当轮廓误差存在时，基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置的输入是与轮廓误差相关的滑模切换函数s(t)，可以由以下公式确定

$s\left(t\right)=(\frac{d}{d_t}+\mathrm{\λ})\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：λ为大于零的常数；控制的目的是使

即轮廓误差ε→0

步骤3-3：采用具有自学习能力的模糊RBF网络控制对目标函数进行逼近学习和模糊输出，所述的目标函数为

学习算法选择为

$w_{\mathrm{ko}}^4=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{\∂w}=-\mathrm{\η}\frac{\∂S\stackrel{\·}{S}}{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}}\frac{\∂U_{\mathrm{FNN}}}{{\∂w}_{\mathrm{ko}}^4}$

定义规则层和隶属度函数层的误差项为

${\mathrm{\δ}}_k^3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}-\mathrm{\η}\frac{\∂S\stackrel{\·}{S}}{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}}\frac{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}{\∂y}_o^4}{{\∂y}_o^4{\∂y}_k^3}\frac{{\∂y}_k^3}{{\∂\mathrm{net}}_k^3}=-\mathrm{\η}\left|\frac{K_f}{M}\right|{\mathrm{Sw}}_{\mathrm{ko}}^4$

${\mathrm{\δ}}_j^2=-\mathrm{\η}\frac{\∂S\stackrel{\·}{S}}{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}}\frac{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}{\∂y}_o^4}{{\∂y}_o^4{\∂y}_k^3}\frac{{\∂y}_k^3}{{\∂\mathrm{net}}_k^3}\frac{{\∂\mathrm{net}}_k^3}{{\∂y}_j^2}\frac{{\∂y}_j^2}{{\∂\mathrm{net}}_j^2}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_k^3{y}_k^3$

通过如下方式来调整隶属度函数参数

${\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{ij}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂c}_{\mathrm{ij}}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂\mathrm{net}}_j^2}\frac{{\∂\mathrm{net}}_j^2}{{\∂c}_{\mathrm{ij}}}=-{\mathrm{\η\δ}}_j^2\frac{2(x_i-c_{\mathrm{ij}})}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^2}$

${\mathrm{\Δ\σ}}_{\mathrm{ij}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂\mathrm{net}}_j^2}\frac{{\∂\mathrm{net}}_j^2}{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}}=-{\mathrm{\η\δ}}_j^2\frac{2(x_i-c_{\mathrm{ij}})}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^3}$

其中：高斯型隶属函数的均值和标准差分别为C_ij和σ_ij；神经网络连接权矩阵为

模糊输出值为

$y_i^1=f_i^1{x}_i^1,i=\mathrm{1,2}$

$y_j^2=f_j^2\left({\mathrm{net}}_j^2\right)=\exp (-\frac{(x_i^2-C_{\mathrm{ij}})}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)}^2}),j=\mathrm{1,2}......n$

$y_k^3={\mathrm{net}}_k^3=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{y}_j^2$

其中：轮廓补偿装置的输入为

为模糊控制的输出；

步骤3-4：由模糊输出和神经网络的连接权矩阵相乘，可以得到轮廓误差补偿装置的位置补偿信号

$U_{\mathrm{FNN}}=y_o^4=W_{\mathrm{ko}}^4\·y_k^3=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ko}}^4\·y_k^3,o=1$

本发明的优点：针对轴向相互垂直运动的双直线电机数控进给***，提出了一个模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿装置和方法。此控制方法能够对任意的轨迹进行跟踪作业，并且将现代的滑模控制与智能控制相结合有效地消除了滑模自身存在的抖振问题。不失滑模鲁棒性的前提下，对双直线电机的轮廓误差进行直接控制，有效地提高了整个控制***的轮廓精度。本发明把每个单轴的跟踪误差根据轮廓误差计算方法得到整体的轮廓误差，然后通过控制器的设计来使误差量逐渐趋近于零。

附图说明

图1为本发明所设计的轮廓补偿控制装置和方法的***框图

图2为本发明所设计任意轨迹轮廓误差模型图

图3为本发明所设计模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿方法的结构示意图

图4为本发明所设计装置及方法的整体流程图

图5为本发明所设计轮廓补偿装置硬件图

（1）电流检测电路

（2）位置检测电路

（3）控制电源电路

（4）驱动电路

（5）IPM隔离逆变以及驱动保护电路

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行具体描述：

一种基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置与方法，该装置包括整流稳压单元、IPM逆变器、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流检测单元、位置速度检测单元、光耦隔离电路、驱动保护电路以及故障检测和保护电路。整流稳压单元连接IPM逆变器，IPM逆变器通过一个驱动保护电路连接至双直线电机平台；霍尔传感器一方面接至IPM逆变器与驱动保护电路之间，霍尔传感器另一方面通过电流检测单元连接至数字信号处理器DSP；位置速度检测单元一方面通过光栅尺接至双直线电机平台，另一方面接至数字信号处理器DSP；IPM逆变器通过第二个驱动保护电路连接至光耦隔离电路，光耦隔离电路一方面连接至数字信号处理器DSP，另一方面通过故障检测和保护电路连接至整流稳压单元与IPM逆变器之间。数字信号处理器DSP包括事件管理器EVA的正交编码脉冲电路QEP、ADC模块、PWM单元、Flash存储器单元、程序存储器、定时器以及PDPINT引脚；QEP连接位置速度检测单元，ADC模块连接电流检测单元，PWM单元和PDPINT引脚均连接至光耦隔离电路。

DSP内还置有位置信号给定器、直线电机位置信号、速度信号以及电流信号的PI控制器、轮廓误差计算器、模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿器和驱动器装置。这些控制器装置在DSP内的实现工作原理即是通过开定时器中断，调用储存在程序存储器中的相应控制装置并完成相应的控制，具体流程如下即由位置信号给定器首先根据规划加工的任意轨迹设定好双直线电机各个轴的初始位置，其次经过直线电机位置信号的PI控制器装置对双直线电机平台进行控制，得到一个输出信号作为驱动器装置控制信号的一部分；然后根据控制***所得的双直线电机各个轴的单轴位置误差信号经过轮廓误差计算器的计算以后得到模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿器装置的输入，通过该装置控制以后得到一个输出信号并作为驱动器装置控制信号的另一部分，最后将驱动器装置的输出作为速度环PI控制器装置的输入，通过控制以后得到直线电机的单轴控制量，结构框图由图1所示。

图1为本发明所设计的基于基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置与方法的结构框图，其中X_d,Y_d和X_a,Y_a表示各轴的输入输出,ξ_x和ξ_y为双直线电机所对应的两轴的扰动，e_x和e_y为双直线电机所对应的两轴的位置误差，u_x和u_y为双直线电机所对应的两轴的控制输入量，C_x和C_y为双直线电机所对应的两轴的补偿增益值，ε为任意轨迹跟踪时的实时轮廓误差值，s(t)为与轮廓误差有关的滑模切换面，w,σ,c为模糊RBF神经网络的权值和隶属度函数参数，本发明就是利用智能控制的自学习能力来逼近与轮廓误差有关的滑模面函数使其在有限时间最小化，即轮廓误差最小化。达到高精度的轮廓补偿控制。最终实现了模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿控制装置的设计，其结构原理图如图1中的虚线框Ι所示。所提到的任意轨迹的轮廓误差量可以由图2所示的几何关系得到。本发明所设计的模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿装置的作用是提高***鲁棒性的同时消除抖振并达到高精度加工要求。

图2可知任意轨迹的轮廓误差表达式为ε＝-e_x·sinφ+e_y·cosφ其中x轴跟踪误差是e_x；y轴跟踪误差是e_y；x轴与给定路径上一点和期望位置之间连线的夹角是φ。

基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置设计步骤如下：

步骤1：由TMS320F2812数字信号处理器内的位置信号给定器提供给双直线电机两轴相应的位置信号指令，作为两轴的位置控制量输入；

步骤2：通过信号采集器对位置、速度以及电流信号进行采样且通过两轴给定与实际输出的比较获得位置偏差信号；

步骤3：通过DSP内置的PI位置控制器调节单轴的位置偏差信号，采用轮廓误差计算器计算出任意轨迹的轮廓误差量并通过内置的轮廓误差补偿装置进行补偿控制，然后将两者控制的输出作为位置驱动装置的输入；

步骤4：通过速度信号检测单元确定直线电机的速度；

步骤5：通过光栅尺采样，在TMS320F2812数字处理器内比较后，执行PI控制器；

步骤6：通过内置的电流检测单元进行电流采样且在DSP内比较后，执行PI控制器；

步骤7：对电流值进行3/2变换；

步骤8：利用旋转的q轴计算出转矩；

步骤9：对输出计算转矩进行2/3变换

步骤10：对变换后的电流值作为载波与三角波调制，让数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动双直线电机的两轴按照电流指令的大小进行给定轮廓轨迹加工运动；

整流稳压电路把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。

步骤3中所述的采用轮廓误差计算器计算出任意轨迹的轮廓误差量并通过内置的轮廓误差补偿装置进行补偿控制，然后将两者控制的输出作为位置驱动装置的输入，包括步骤如下：

步骤3-1：根据实时的位置、速度以及电流信号和位置偏差信号计算出轮廓误差值且任意轨迹的轮廓误差值可由ε＝-e_x·sinφ+e_y·cosφ表示且满足x轴跟踪误差是e_x；y轴跟踪误差是e_y；x轴与给定路径上一点和期望位置之间连线的夹角是φ.

步骤3-2：当轮廓误差存在时，基于模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置的输入是与轮廓误差相关的滑模切换函数s(t)，可以由以下公式确定

$s\left(t\right)=(\frac{d}{d_t}+\mathrm{\λ})\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：λ为大于零的常数；控制的目的是使即轮廓误差ε→0

步骤3-3：采用具有自学习能力的模糊RBF网络控制对目标函数进行逼近学习和模糊输出，所述的目标函数为

学习算法选择为

$w_{\mathrm{ko}}^4=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{\∂w}=-\mathrm{\η}\frac{\∂S\stackrel{\·}{S}}{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}}\frac{\∂U_{\mathrm{FNN}}}{{\∂w}_{\mathrm{ko}}^4}$

定义规则层和隶属度函数层的误差项为

${\mathrm{\δ}}_k^3\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}-\mathrm{\η}\frac{\∂S\stackrel{\·}{S}}{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}}\frac{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}{\∂y}_o^4}{{\∂y}_o^4{\∂y}_k^3}\frac{{\∂y}_k^3}{{\∂\mathrm{net}}_k^3}=-\mathrm{\η}\left|\frac{K_f}{M}\right|{\mathrm{Sw}}_{\mathrm{ko}}^4$

${\mathrm{\δ}}_j^2=-\mathrm{\η}\frac{\∂S\stackrel{\·}{S}}{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}}\frac{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}{\∂y}_o^4}{{\∂y}_o^4{\∂y}_k^3}\frac{{\∂y}_k^3}{{\∂\mathrm{net}}_k^3}\frac{{\∂\mathrm{net}}_k^3}{{\∂y}_j^2}\frac{{\∂y}_j^2}{{\∂\mathrm{net}}_j^2}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_k^3{y}_k^3$

通过如下方式来调整隶属度函数参数

${\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{ij}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂c}_{\mathrm{ij}}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂\mathrm{net}}_j^2}\frac{{\∂\mathrm{net}}_j^2}{{\∂c}_{\mathrm{ij}}}=-{\mathrm{\η\δ}}_j^2\frac{2(x_i-c_{\mathrm{ij}})}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^2}$

${\mathrm{\Δ\σ}}_{\mathrm{ij}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂\mathrm{net}}_j^2}\frac{{\∂\mathrm{net}}_j^2}{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}}=-{\mathrm{\η\δ}}_j^2\frac{2(x_i-c_{\mathrm{ij}})}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}^3}$

其中：高斯型隶属函数的均值和标准差分别为C_ij和σ_ij；神经网络连接权矩阵为

模糊输出值为

$y_i^1={f_i}^1{x}_i^1,i=\mathrm{1,2}$

$y_j^2=f_j^2\left({\mathrm{net}}_j^2\right)=\exp (-\frac{(x_i^2-C_{\mathrm{ij}})}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)}^2}),j=\mathrm{1,2}......n$

$y_k^3={\mathrm{net}}_k^3=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{y}_j^2$

其中：轮廓补偿装置的输入为

为模糊控制的输出；

步骤3-4：由模糊输出和神经网络的连接权矩阵相乘，可以得到轮廓误差补偿装置的位置补偿信号

$U_{\mathrm{FNN}}=y_o^4=W_{\mathrm{ko}}^4\·y_k^3=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ko}}^4\·y_k^3,o=1$

图3为所发明模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿方法的结构示意图，其中神经网络结构选择为3层RBF前向神经网络，其优点是速度快不存在局部极小问题；模糊控制含有输入层、隶属度函数层、规则层以及输出层，隶属度函数为了和神经网络隐含层作用函数结构匹配选择为高斯型，规则层为乘积推理；且其中

分别代表每层的输出值。

本发明方法中***程序流程图如图4所示。软件的主程序包括***初始化；开INT1、INT2中断；允许定时器中断；定时器中断处理子程序。其中初始化程序包括关闭所有中断，DSP***初始化，变量初始化，事件管理器初始化、AD初始化和正交编码脉冲QEP初始化。中断服务子程序包括保护中断子程序和T1下溢中断服务子程序。其他部分如动子初始化定位，位置、速度以及电流信号的PI调节，模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿调节等都在定时器TI下溢中断处理子程序中执行。

IPM保护信号产生的保护中断响应属外部中断，INT1中断优先级比定时器T1的高。IPM会在过流、过压等异常情况自动发出保护信号，这一信号经转换连接到DSP的功率驱动保护引脚

一旦有异常情况发生，DSP会进入保护中断子程序，首先禁止所有中断，然后封锁PWM输出使得电机马上停转，起到保护电机和IPM的作用。

本发明控制方法最终由DSP处理器实现，步骤如下

步骤1 ***初始化

步骤2 DSP初始化

步骤3 初始化寄存器和变量

步骤4 初始化中断向量

步骤5 开中断

步骤6 是否有通用定时器下溢中断产生

步骤7 TN1中断处理子控制程序

步骤8 保护中断处理

步骤9 结束

其中：TN1中断处理子控制程序按以下步骤：

步骤1 TN1中断子控制程序；

步骤2 保护现场；

步骤3 对所跟踪轨迹进行规划并且确定双直线电机的位置给定信号

步骤4 计算电机速度和运动方向

步骤5 采样电流和电压

步骤6 调用位移的PI控制器

步骤7 调用速度以及电流PI控制器

步骤8 采样后与各轴的期望值进行比较获得位置偏差

步骤9 判断是否存在轮廓误差；是进入步骤10，否则进入步骤12

步骤10调用实时轮廓误差模型计算器

步骤11调用实时轮廓误差补偿控制器

步骤12采样新电流值

步骤13对电流采样值进行3/2变换

步骤14利用旋转的q轴计算出转矩

步骤15对输出的电流进行2/3变换

步骤16用三角波作为载波生成PWM波形对电机相电流进行控制，进而对双直线电机进行轮廓控制

步骤17中断返回

图5为所发明的轮廓补偿装置的硬件原理图，该装置包括整流稳压单元、IPM逆变器、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流检测单元、位置速度检测单元、光耦隔离电路、驱动保护电路以及故障检测和保护电路。其中DSP包括事件管理器EVA的正交编码脉冲电路QEP、ADC模块、PWM单元、Flash存储器单元、程序存储器、定时器以及PDPINT引脚且程序存储器内还置有由软件程序实现的位置信号给定器、直线电机位置信号、速度信号以及电流信号的PI控制器、轮廓误差计算器、模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿器和驱动器装置，一旦***出现过压、过电流、欠电压等故障，DSP将封锁PWM输出信号，以保护IPM模块。

图5-(1)为所发明的硬件控制***的电流检测电路，根据整个***的设计，控制***中有电流反馈环，因此需要采样电机的电流信号，在本设计中测量的是直线电机三相电流中的两相。本***中采用CSM025PTS系列霍尔电流传感器，它能采集的电流范围是-16A～+l6A，输出的电压范围是0～5V。因为DSP芯片的AD模块采样的是电压信号，需要将电流信号转化为电压信号。同DSP的AD模块输入电压范围是0～3V，而采样到得霍尔传感器的电压范围是0～5V，需要做适当的变换，把采样的电压信号转化为合适的输入范围。16通道的AD模块需要用到其中的三个，本设计中选用的是ADCIN08和ADCIN09两个通道，采样后的电压信号重新转化为两相的电流信号存入相应的寄存器中，进行电流调节。经过霍尔传感器检测到得电流成比例的转化为电压信号。霍尔传感器输出的电压信号不适合AD模块采集的电压范围，需要经过放大器对电压信号进行缩放。

图5-(2)为所发明的硬件控制***的位置检测电路，直线电机的位置信号的检测是实现直线电机精密控制的非常重要的因素且将其微分就是速度信号，本设计采用英国RENISHAW公司的RGH24X系列光栅尺，它的分辨率为1um，最高速度可达到5m/s。把TMS320F2812事件管理器EVA的正交编码脉冲电路(QEP)和光栅尺进行连接，当事件管理器的QEP被使能后，就能对相应的引脚输出脉冲进行计数，来确定电机运动的位置信息，根据测量的位置信息相应的调整控制策略，控制电机运动。安装好光栅尺的直线电机在运动的情况下，读数头输出与位置信息有关的6路方波信号，其中它们是三对反向的RS422A方波信号，经过差分接收后，产生三路脉冲信号包括两路正交编码脉冲信号A和B，以及一路参考点信号Z。正交编码脉冲信号A和B用来检测直线电机运动的位置信息，而Z信号用来做直线运动过程中回零点位置的参考信号。由于光栅尺读数头输出的3路脉冲信号是5V的，而DSP的I/O口电压是3.3V的，因此需要一个电平转换芯SN74LVC4245DW来实现5V到3.3V的电平转换。同时使能DSP芯片事件管理器EVA的正交编码脉冲电路和捕获单元CAP3，QEP1和QEP2分别接收A和B两路正交脉冲，CAP3捕获参考脉冲信号Z。

光栅尺的读数头输出的正交编码脉冲是两路频率可以变化相互正交的脉冲序列。当直线电机运动时，光栅尺的读数头会产生正交编码脉冲信号，分别被QEP1和QEP2接口接收，根据A和B脉冲信号的相位差是+90°还是-90°来确定直线电机的运动方向，同时可以确定通用定时器的计数器的计数方向，如果QEPI接收的脉冲超前QEP2接收的脉冲，那么计数器是递增计数，相反则递减计数。由于DSP的正交编码电路对输入正交脉冲上升沿和下降沿均进行计数，因此经由QEP电路后输出脉冲的频率变为输入的四倍，并且事件管理器会将该时钟提供给它的通用定时器作为通用定时器的时钟频率。在本设计中通用定时器TZ设置为定向增/减计数，事件管理器EVA的正交编码脉冲电路既为它提供时钟频率又提供计数方向。光栅尺的分辨率为1um，直线电机每移动lum则通用定时器对四倍频以后的脉冲进行一次计数，通过前后两次计数器中不同的计数值可以确定直线电机运动的距离，同时有专门的寄存器存储计数器的计数方向，也是直线电机的运动方向。在DSP的中断服务子程序中可以得到直线电机的运动信息。

图5-(3)为所发明的硬件控制***的直线电机控制电源电路，本发明所设计的电源电路就是要得到直流电压。首先通过一个整流桥将交流转化为直流，然后通过滤波得到较好的直流电存储于大电容中，在将电容两端作为直流电源的输出口提供给功率模块。其中的加入一根保险丝，为了防止电路电流过大，起到保护电路作用。继电器起到的是一个智能控制的作用，在程序中当DSP初始化时，电容充电，初始化完成后，在程序中给Kl端口发送一个高电平，继电器发生一个开关动作使电容两端直接连接电源电压，这时候使电容两端的电压达到最大，实验时最大可到320V，达到为电机供电要求。

图5-(4)为所发明的硬件控制***的直线电机驱动电路，直线电机驱动电路主要包括一个智能功率模块，本发明选用的是IRAMSl0UP60B，它适用于较大功率的电机中，它能驱动的电机功率范围是400W～750W；主要由6个IGBT构成的三相桥式电路，控制板上DSP芯片产生的PWM控制信号输入到功率模块，控制3个桥臂的关断，产生合适驱动电压，驱动直线电机运动图中的HIN1和LIN1分别是第一相的上下桥臂的控制信号，它们都是低电平有效。IRAMSl0UP60B的工作电压VDD是15V，VSS为接地端，为了达到良好的去耦效果，在这两端加入两个并联的去耦电容。由于输入的PWM波信号是数字信号，而IRAMS10UP60B不具备把数字信号和功率信号隔离的功能，因此在IRAMS10UP60B的输入控制信号前需要加上光祸隔离，图中TLPll3即实现了将输入的PWM信号转化为模拟信号的功能，然后输入到对应桥臂的控制信号输入端。在三相电压的输出端u、v、w分别加上一个2.2uF的自举电容。在Itrip端口为低电平时，芯片正常工作，当桥臂的上部分输入的控制信号为低电平，下部分是高电平的时候该相有输出电压；当上为高电平，下为低电平的时候输出电压为零；两个都为低电平的情况是不容许出现的，那样会造成短路，烧毁芯片。当Itrip端口为高电平时，芯片不工作，没有电压输出，因此在电路中加一个下拉电阻使Itrip端口为低电平，这样功率模块能正常工作。功率芯片自身有过温和过流保护，当电路出现异常时能起到自我保护的作用。

图5-(5)为所发明的硬件控制***的IPM隔离驱动保护电路，IPM是把功率器件与起控制作用的逻辑电路、驱动电路保护电路和检测电路集成或组装在一起，主要完成驱动信号放大、功率放大、各种保护（包括过电流保护、短路保护、过热保护、欠压保护）等功能，在器件特性上具有IGBT的开关特性。本***选用的IPM是三菱公司第三代智能功率模块PM20CSJ060。其额定参数为600V、20A，适用的电机功率为1.5KW，开关频率最高可达20KHz。DSP模块产生的PWM信号经光耦隔离输入到IPM模块的相应管脚。

Claims (4)

1.一种基于模糊RBF网络滑模的双直线电机轮廓补偿装置，其特征在于：该装置包括整流稳压单元、IPM逆变器、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流检测单元、位置速度检测单元、光耦隔离电路、驱动保护电路以及故障检测和保护电路；整流稳压单元连接IPM逆变器，IPM逆变器通过一个驱动保护电路连接至双直线电机平台；霍尔传感器一方面接至IPM逆变器与驱动保护电路之间，霍尔传感器另一方面通过电流检测单元连接至数字信号处理器DSP；位置速度检测单元一方面通过光栅尺接至双直线电机平台，另一方面接至数字信号处理器DSP；IPM逆变器通过第二个驱动保护电路连接至光耦隔离电路，光耦隔离电路一方面连接至数字信号处理器DSP，另一方面通过故障检测和保护电路连接至整流稳压单元与IPM逆变器之间。

2.根据权利要求1所述的基于模糊RBF网络滑模的双直线电机轮廓补偿装置，其特征在于：数字信号处理器DSP包括事件管理器EVA的正交编码脉冲电路QEP、ADC模块、PWM单元、Flash存储器单元、程序存储器、定时器以及PDPINT引脚；QEP连接位置速度检测单元，ADC模块连接电流检测单元，PWM单元和PDPINT引脚均连接至光耦隔离电路。

3.采用权利要求1所述的基于模糊RBF网络滑模的双直线电机轮廓补偿装置进行轮廓加工的方法，其特征在于：双直线电机的位置环、速度换以及电流环均采用PI控制器，包括步骤如下：

步骤1：根据要加工的任意轨迹形状，规划出各个轴的输入量信号；

步骤2：通过电流检测单元、位置速度检测单元对位置、速度以及电流信号进行采样且通过两轴给定与实际输出的比较获得位置偏差信号；

步骤3：通过位置环PI位置控制器调节单轴的位置偏差信号，然后将各个轴的位置偏差按一定的合成关系求出任意轨迹的轮廓误差量并通过模糊RBF网络积分滑模的双直线电机轮廓补偿装置进行补偿控制；

步骤4：通过速度信号检测单元确定直线电机的速度；

步骤5：通过光栅尺对速度信号采样，在TMS320F2812数字信号处理器DSP内比较后，执行速度环PI控制器；

步骤6：通过电流检测单元进行电流采样且在DSP内比较后，执行电流环PI控制器；

步骤7：对电流值进行3/2变换；

步骤8：利用旋转的q轴计算出转矩；

步骤9：对输出计算转矩进行2/3变换

步骤10：对变换后的电流值作为载波与三角波调制，让数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动双直线电机的两轴按照电流指令的大小进行给定轮廓轨迹加工运动；

利用整流稳压单元把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。

4.根据权利要求3所述的基于模糊RBF网络滑模的双直线电机轮廓补偿装置进行轮廓加工的方法，其特征在于：

步骤3中所述的利用模糊RBF网络积分滑模轮廓补偿控制装置对轮廓误差进行直接控制然后提供位置补偿信号，控制器设计步骤如下：

步骤3-1：根据实时的位置、速度以及电流信号和位置偏差信号计算出轮廓误差值且任意轨迹的轮廓误差值可由ε＝-e_x·sinφ+e_y·cosφ表示且满足x轴跟踪误差是e_x；y轴跟踪误差是e_y；x轴与给定路径上一点和期望位置之间连线的夹角是φ.

步骤3-2：当轮廓误差存在时，基于模糊RBF网络滑模的双直线电机轮廓补偿装置的输入是与轮廓误差相关的滑模切换函数s(t)，可以由以下公式确定

$s\left(t\right)=(\frac{d}{d_t}+\mathrm{\λ})\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：λ为大于零的常数；控制的目的是使即轮廓误差ε→0

步骤3-3：采用具有自学习能力的模糊RBF网络控制对目标函数进行逼近学习和模糊输出，所述的目标函数为

学习算法选择为

$w_{\mathrm{ko}}^4=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{\∂w}=-\mathrm{\η}\frac{\∂S\stackrel{\·}{S}}{{\∂U}_{\mathrm{FNN}}}\frac{\∂U_{\mathrm{FNN}}}{{\∂w}_{\mathrm{ko}}^4}$

$\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{ij}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂c}_{\mathrm{ij}}};$ $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}=-\mathrm{\η}\frac{\∂E}{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}}$

其中：高斯型隶属函数的均值和标准差分别为C_ij和σ_ij；神经网络连接权矩阵为

模糊输出值为

$y_i^1=f_i^1{x}_i^1,i=\mathrm{1,2}$

$y_j^2=f_j^2\left({\mathrm{net}}_j^2\right)=\exp (-\frac{(x_i^2-C_{\mathrm{ij}})}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\right)}^2}),j=\mathrm{1,2}......n$

$y_k^3={\mathrm{net}}_k^3=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{y}_j^2$

其中：轮廓补偿装置的输入为

为模糊控制的输出；

步骤3-4：由模糊输出和神经网络的连接权矩阵相乘，可以得到轮廓误差补偿装置的位置补偿信号。

$U_{\mathrm{FNN}}=W_{\mathrm{ko}}^4\·y_k^3$

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