基于PDFF双直线电机二阶滑模交叉耦合控制
摘要:针对龙门移动式镗铣床双直线电机同步进给控制问题,采用具有前馈的伪微分反馈(PDFF)控制框架来设计各轴子系统速度控制器,以提高系统的抗干扰能力和响应速度。同时,设计一个二阶滑模交叉耦合控制器,以解决双位置环系统输出端机械耦合、电机参数变化和外部扰动等不确定性因素对同步精度的影响。二阶滑模控制律采用超螺旋算法,它可以消除相对阶为1的变结构系统的抖振现象。仿真结果表明该控制方案具有很强的鲁棒性,在不对称负载的条件下能实现位移同步。关键词:同步进给;直线电机;交叉耦合控制;PDFF控制;二阶滑模控制
龙门移动式镗铣床是实现大型整体零件和几何形状复杂的型面加工的重型机床之一。由于横梁及其相匹配的刀架等所组成的大型移动部件,并不总是形成对称结构与对称受力,以及运行中的各种不确定性扰动通过机械耦合严重影响双轴同步进给精度,甚致可能使龙门框架或驱动元件受到损坏[1-2]。
为了消除机械耦合、负载变化以及外部扰动对双直线电机同步伺服系统精度的影响,采用具有较好的伺服刚度和响应能力的具有前馈的伪微分反馈(PDFF)控制框架[3-4]来设计单轴直线电机伺服系统中的速度控制器,以提高单轴子系统的抗干扰能力和响应速度,从而间接减小同步误差。位置控制器采用一般的比例控制器。在此基础上,还引入二阶滑模控制[5]来设计两轴间的交叉耦合控制器,以消除机械耦合引起的同步误差。与传统滑模控制相比,二阶滑模控制可大大削弱抖振作用,获得更高的滑模精度[6-7]。
在同步进给伺服系统中,两个伺服子系统均采用直线电机直接驱动负载,并按同一位移给定信号运动,其中一个伺服子系统定义为主动轴,另一个为从动轴,构成主-从式驱动方式。
PDFF控制器可以提供较高的伺服系统刚度,好的伺服刚度可以使电机在运行时快速定位;PI控制虽然也可以通过加大积分增益来达到快速定位,但必然回到致系统的超调量过大从而引起系统振荡。PDFF控制通过加一前馈增益就可以在加大积分增益的情况下不会产生过大超调,同时可以使许多低频干扰信号被积分环节过滤,从而实现既可以提高系统的响应能力又可以提高系统刚度的目的[3]。
采用二阶滑模控制[8]策略来设计交叉耦合同步控制器以消除机械耦合、不对称负载变化及参数摄动对同步伺服精度的影响。基于PDFF二阶滑模交叉耦合同步控制的双直线电机同步进给伺服系统的结构。
本文针对龙门移动式镗铣床中双直线电机同步伺服问题进行了研究。为了提高单轴子系统的抗干扰能力和响应速度,设计了PDFF速度控制器;为了消除机械耦合、电机参数变化和外部扰动等不确定性因素对同步精度的影响,根据滑模变结构控制理论设计了二阶滑模交叉耦合同步控制器。仿真结果表明响应速度快、鲁棒性强、抗干扰能力强,能够使双直线电机同步伺服系统实现动态同步进给。
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