[发明专利]基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制方法。

背景技术

数控技术是国防现代化的重要战略物质，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。大力发展以数控技术为核心的先进制造业已成为多数国家加快经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。高速高精度，同步控制以及多轴协调控制是目前数控技术的重要研究方向。在数控机床的加工过程中，要求数控加工中心(CNC)沿预定的参考轨迹完成预先设定的任务，这种运动形式称为轮廓循迹运动。目前，在这种日益注重高速高精度的轮廓循迹控制系统中，XY位置定位平台是有代表性的数控设备。

现在，XY平台位置定位系统广泛应用于工业制造业，XY平台位置定位系统的设计目的就是为了将位置误差减到最小，并能够将被控对象稳定地驱动到指定的位置上。目前位置定位系统的应用非常广泛，例如CNC机械加工定位系统以及半导体制造设备的定位系统等。由于现在对位置定位系统的定位精度要求越来越高，已从过去的毫米(mm)等级提升到微米(μm)等级甚至纳米等级，因此，随着定位精度要求的提高，位置定位系统的设计也越来越困难。

要提高定位系统的精度并不是一个简单的任务，必须结合机械结构系统本身的精度，并且还要与传感器等部件的选择及控制方法等相互结合才能完成。需要对XY 双轴运动机械平台的控制器进行设计，选择合适的控制方法来保证系统的稳定，并根据实际情况的要求，强化对位置和速度的跟踪性能。从而，达到系统所需要的定位精度。目前，在直线电机中广泛采用的PID(比例-积分-微分)控制器虽然在一定程度上能够提高电机的控制精度，然而，随着工业的发展上对精度要求的日益提高，PID由于其存在着滞后、鲁棒性差等缺点，很难满足其要求，另外，在XY平台中还存在着两轴的耦合，这更加大了控制的难度。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制方法，将预测控制和交叉耦合相结合，通过预测控制提高电机的跟踪性能和稳定性，通过交叉耦合来提高两轴的匹配度，减小轴间的耦合，从而达到提高轮廓精度的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制装置，包括：

信号采集器：用于采集直线电机的电压信号、电流信号及位置信号的装置。

位置给定器：用于根据要加工物体形状设定X轴、Y轴电机的初始位置及运行轨迹的装置。

预测控制器：用于根据位置给定器的给定值和前两个时刻的位置输出值，来预测下一时刻直线电机的位置及所需电机输入值的装置。

交叉耦合控制器：用于根据对两轴之间耦合产生的轮廓误差的估计，来对两轴进行补偿的装置。

驱动器：用于接收预测控制器和交叉耦合控制器的输出信号，根据该输出信号来控制X轴或Y轴的位置的装置。

所述交叉耦合控制器，包括：

轮廓误差估计器：用于由位置给定器传递的设置值求微分得到速度信号，根据电机的速度输入信号和跟踪误差来对XY平台轮廓误差进行估计的装置

轮廓误差补偿器：用于根据轮廓误差求得轮廓误差补偿值，乘以增益后补偿到XY两轴的装置。

采用基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制装置对直驱XY平台控制的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据要加工物体的形状进行轨迹规划，确定X轴和Y轴的初始给定值；

步骤2：对XY轴位置采样，并与X轴及Y轴位置的给定值进行比较，获得位置偏差；

步骤3：采用预测控制器对单轴位置进行控制，调整X轴、Y轴的单轴位置；采用交叉耦合控制器对X轴及Y轴的轮廓误差进行估计和补偿，将经过预测控制器和交叉耦合控制器调整后的输出信号作为X轴及Y轴的位置输出，具体方法为：

步骤3-1：采集近2个时刻电机位置信号；

步骤3-2：将步骤3-1采集的电机位置信号和电机位置给定信号输入预测控制器中，对单轴干扰产生的误差进行补偿，实现对X轴或Y轴的单轴位置调整；

预测控制器，用于估算下一时刻X轴或Y轴的运行位置，所述的预测控制器的设计过程为：

步骤3-2-1：由于预测控制是在离散条件下运行的，先将电机传递函数表示为离散形式：                                                             (1)