[实用新型]直线音圈电机非线性特性的智能补偿控制系统

说明书

(一)技术领域

本实用新型涉及直线音圈电机非线性特性的控制技术领域，具体为一种针对具有非光滑的复杂迟滞非线性特性和非光滑摩擦特性的直线音圈电机非线性特性的智能补偿控制系统。

(二)背景技术

具有长行程、微/纳米级定位精度的直线音圈电机(以下简称为音圈电机)属于“零传动”的直接驱动电机，与其它电机和作为位移定位驱动装置相比较，具有明显的优势，其具高分辨率、高响应、高加速度、体积小、力特性好等特点，广泛应用到计算机硬盘、精密加工切削机床、移动数码相机、空中机器人、半导体封装及微纳米级平台等。尤其是音圈电机具有高速响应特性，使之成为了移动数码相机和半导体封装键合的理想驱动装置。

但是，由于音圈电机直接驱动负载，在高速往复运动中，即高频响情况下，表现出了强非线性特性，既复杂迟滞特性和与运动特性有关的摩擦特性。其出现的非增函数变化、非光滑复杂迟滞非线性特性，导致了系统的震动和性能的下降。尤其是在高速运动下，音圈电机表现出与一般直线电机完全不同的非线性复杂迟滞特性。

现有音圈电机的控制方法是将音圈电机视为低频下工作的一般直线电机，采用普通直线电机的控制方法，控制效果无法满足高速高精度的要求。

在高速往复运动中，音圈电机表现出非光滑的强非线性特性，不能直接采用以导数为基础的建模与补偿方法及对应控制技术，如现有的模糊，神经网络等建模与补偿方法均不适用。

1)摩擦特性：

从机理方面分析，非光滑摩擦模型的结构已成熟，模型中参数不同，其描述的摩擦特性不同。针对不同摩擦特性，求得模型中的参数，即可表达不同的非光滑摩擦特性。但是摩擦模型中的参数在线辨识一直是音圈电机建模中的难点问题。所以，在以非光滑摩擦模型为基础的音圈电机消除摩擦的控制方法或补偿方法中，关键技术就是音圈电机非光滑特性摩擦模型中参数的在线辨识或智能自学习。

2)复杂迟滞特性：

音圈电机表现出的非增函数变化的、非光滑的复杂迟滞特性与压电陶瓷、扩散硅压力传感器及高分子湿度传感器等表现出的增函数变化的迟滞特性完全不同，用已有的一般迟滞模型无法对音圈电机特殊的复杂迟滞特性建模，故对音圈电机的迟滞特性也难以补偿。

为了消除高频响音圈电机迟滞特性和摩擦特性引起音圈电机运行时产生的震动和进一步有效地提高音圈电机的控制系统精度，故需要针对音圈电机的非增函数变化的、非光滑复杂迟滞特性和音圈电机非光滑摩擦特性建模，以提供消除两种特性的模型补偿手段，并在此基础上，设计高速往复运动的音圈电机的非线性特性的智能补偿方法和控制系统。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种在高速往复运动下具有非增函数变化的、复杂迟滞特性和摩擦特性直线音圈电机的智能补偿控制系统，以实现音圈电机的微米级高速定位控制。

以下直线音圈电机简称为音圈电机。

本实用新型设计的直线音圈电机非线性特性的智能补偿与控制系统包括音圈电机、数字位移传感器、信号处理器、驱动电路及直流电源。驱动电路的输出电压接入音圈电机的线圈；位移传感器安装于音圈电机线圈旁，检测音圈电机线圈的位移，其输出信号接入信号处理器。

信号处理器包括中央处理单元、模/数转换(A/D)电路、数/模转换(D/A)电路，程序存储模块(ROM)、数据存储模块(RAM)、脉宽调制模块(PWM)和位移传感器信号接收电路。中央处理单元连接程序存储模块(ROM)和数据存储模块(RAM)，数字位移传感器与位移传感器信号接收电路连接，中央处理单元的控制信号接脉宽调制模块，脉宽调制模块接驱动电路。

直流电源接信号处理器和驱动电路为其提供电源。

程序存储模块含有混合迟滞逆模型补偿单元、混合摩擦模型补偿单元及弱非线性对象控制算法单元。脉宽调制模块(PWM)接受程序存储模块输出电压信号并进行调制，其输出接入驱动电路，调节驱动电压实现音圈电机的正向和反向直线运动。

所述位移传感器为位移光栅尺传感器，信号处理器的位移信号接收电路为计数器。

本直线音圈电机非线性特性的智能补偿控制系统中的音圈电机迟滞逆模型补偿单元中的音圈电机迟滞逆模型是在音圈电机迟滞模型基础上建立的。

针对音圈电机线圈电压与位移之间的非光滑、复杂迟滞特性，采用音圈电机迟滞机理模型与神经网络模型串联组成的音圈电机混合迟滞模型。

混合迟滞模型结构的前一部分借鉴描述弹簧恢复力和位移的迟滞特性的Bouc-Wen迟滞机理模型，该模型是由具有非增函数变化的、非光滑特性的非线性微分方程构成。其方程如下：