面向芯片封裝的直線伺服系統(tǒng)的高速高精運動控制.pdf

1、隨著產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)率要求的不斷提高，越來越多的機械系統(tǒng)提出了高速、高精度的運動性能指標(biāo)。這些指標(biāo)給運動控制器的設(shè)計提出了更高要求。尤其是面向芯片封裝的運動系統(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)計一個高性能的運動控制器以實現(xiàn)高速高精度運動至關(guān)重要。 本文以面向芯片封裝的一類直線伺服原型系統(tǒng)——直線電機驅(qū)動的X-Y運動平臺為研究對象，主要針對系統(tǒng)中存在的四種擾動因素：摩擦、外部擾動、模型攝動和延時擾

2、動，重點研究、設(shè)計并實現(xiàn)具有強抗擾能力、強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動性能。 首先，針對影響系統(tǒng)性能的兩大因素：摩擦力和外部擾動，提出了三種控制方案。一、提出基于LuGre動態(tài)模型的摩擦力補償控制。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，實現(xiàn)了基于LuGre模型的摩擦力補償。實驗結(jié)果表明，該摩擦力補償方案能夠大大減少動態(tài)跟蹤誤差和提高穩(wěn)態(tài)定位精度。二、提出基于LuGre模

3、型的摩擦補償與干擾觀測器相結(jié)合的控制方案。該方案中的摩擦補償部分與前面提出的基于LuGre模型的摩擦補償基本相同，只是狀態(tài)觀測器的設(shè)計稍有不同。另外，所有的摩擦力模型參數(shù)都采用了固定的估計值。干擾觀測器的采用主要有兩個目的：消除系統(tǒng)受到的外部擾動，以及進一步消除沒有被摩擦補償消除掉的摩擦力。實驗結(jié)果很好地驗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，提出一種改進型干擾觀測器結(jié)構(gòu)(IDOB)。該結(jié)構(gòu)原理簡單、計算簡便，

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。實驗比較了IDOB和DOB。結(jié)果表明：IDOB具有更好的動靜態(tài)性能。 然后，針對模型攝動、外部擾動和延時擾動，提出具有前饋控制的魯棒內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)，以同時提高系統(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，并進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能，還采用

5、了零相誤差跟蹤前饋控制器。通過比較實驗，驗證了所提控制方案的各組成部分的性能。 最后，以同時提高系統(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)控制和延時控制的方案。通過連續(xù)配置系統(tǒng)極點逐漸遠離虛軸，系統(tǒng)的響應(yīng)越來越快。同時，采用延時控制消除系統(tǒng)的擾動，提高系統(tǒng)的抗擾魯棒性。仿真和實驗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現(xiàn)與實驗研究，本文還編

6、制了一套高速高精運動平臺測控軟件(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實時系統(tǒng)開發(fā)，主要負責(zé)完成采樣、控制、狀態(tài)檢測等實時性要求比較高的任務(wù)。 基于MotionEyes軟件平臺，本文所提出的各種控制方案在X-Y運動平臺上得以實現(xiàn)。通過大量的實驗研究與分析，充分驗證了各種控制方案的優(yōu)良性