[发明专利]基于NURBS的直线电机推力波动控制方法

说明书

技术领域

该发明属于电机控制领域，特别是直线电机伺服系统推力波动的控制领域。 

背景技术

目前，高速高精的直线运动，一般会用直线电机进行驱动，例如微电子制造装备、芯片传输系统、先进机床等等。1840年英国人惠斯顿发明了世界上第一台直线电机，但由于理论与技术上的缺陷，直到20世纪中叶，直线电机才进入新的发展阶段。 

直线电机伺服系统是一种直接将电能转换成直线运动的机械能的动力装置，它没有旋转电机的中间转换环节，能有效克服传统转换机构的体积大、精度低、效率低、响应慢、噪音大等诸多缺点。直线电机可以看作是旋转电机沿着径向刨开，并拉直展开。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。考虑到实际情况，一般将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需要的行程范围内初级与次级的之间能有效的进行耦合。对于直线电机，一般将运动的一级称为动子，静止的一级称为定子。 

直线电机伺服系统虽然简化传动环节，但是直线电机伺服系统是一个复杂的、多耦合的非线性系统，电机直接与工作台或者其他工作部件相连，这就导致直线电机的驱动波动直接作用到工作台或者工作 部件上，对要求高速高精的伺服系统影响很大。推力波动的影响因素可分为二类，一类是内部因素，可细分为：纹波扰动、端部效应、磁钢分布、齿槽效应等；另一类是外部因素，可细分为：位置、电流、速度、负载、摩擦力等。对于已经设计好、结构已经固定的直流电机伺服系统，推力波动的大小主要取决于外部因素。 

直线电机推力波动是影响直线电机发展的重要因素，采用合理的电机结构设计可以在一定程度上减弱推力波动，但是限于当前的技术和理论，很难满足控制精度的要求。由于推力波动具有周期性，抑制推力波动的主要方法是基于前馈、反馈的推力闭环控制，，对推力波动建立模型进行拟合，进而根据拟合曲线确定补偿值对推力波动补偿，其中最重要一环是建立推力波动模型通过前馈对推力波动进行补偿，有效控制推力波动，使得直线电机达到理想的运行状态。但建立的推力波动模型普遍是基于三角函数建立模型对推力波动进行控制，由于三角函数的局限性，对一些复杂波动，难以有效拟合，同时存在着计算量大，难以高频响应等不足。 

发明内容

为了克服上述不足，有效抑制直线电机的推力波动，建立一个推力波动仿真模型对直线电机的波动进行有效控制。本发明的推力波动仿真模型是基于离线与实时学习，利用NURBS曲线方法对推力波动进行控制的算法模型。对于结构已经固定的直线的电机，推力波动的影响因素主要是外部因素，包括电流、速度、负载、位置、摩擦力。综 合比较可知，这几个因素对推力波动影响最大的是电流因素，所以在建立离线模型的阶段只考虑电流因素，即通过改变直线电机通入的电流量，利用加速度测量仪、光栅尺采集直线电机动子的加速度值和位置信息，根据加速度值波动求出推力波动F变化曲线，求出推力波动F变化曲线的极值点作为NURBS的通过点，利用通过点反算控制点，根据位移量确定节点矢量，进而根据仿真模型计算出的值与实际值之间的差值，利用迭代学习法确定NURBS曲线的权重因子，对NURBS曲线进行调整，进而建立推力波动离线仿真模型；进而根据反馈值进而实时学习，对模型参数进行更新，根据建立的模型利用前馈对直线电机伺服系统进行补偿，达到有效控制直线电机推力波动的目的。 

所述基于NURBS的直线伺服系统推力波动控制方法包括以下过程： 

第一步，分别给直线电机通入不同的电流值，利用光栅尺，加速度测量仪，以一定的采用周期对其进行采样，得到直线电机的动子位置信息和对应加速度信息，并记录下来。 

第二步，在理想情况下，给直线电机通入一定的电流值，会产生不变的电磁力，使得电机的动子以恒定的加速度运行，但是由于摩擦力、负载、速度、位置等诸多因素的影响，直线电机的加速度会出现波动，进而根据加速度的波动值，利用牛顿定理，求出推力F变化信息，并与位置信息相对应，推力波动F计算公式如下： 

F＝ma  (1) 

其中m是动子以及相关负载的质量，a是动子加速度。以对应的 位置信息为横坐标，推力F变化信息为纵坐标建立推力F变化曲线。 

第三步，根据推力F变化信息，采用前后判别的方法得到F变化曲线的极值点，即某个F值大于前面的值同时大于后面的值为极大值，小于前面的值同时也小于后面的值为极小值。得到推力F变化曲线的极值和对应的位置信息，并记录下来，同时推力F变化曲线的首末点最为极值点也记录下来。