[发明专利]一种直驱龙门式运动平台轮廓控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种直驱龙门式运动平台轮廓控制装置及方法。

背景技术

数控技术及装备是发展现代工业、新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和基础装备。数控技术的发展水平反映了一个国家的工业发展状况和国民经济实力，在国民经济发展中占有非常重要的地位。我国高度重视高档数控机床产业的发展，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020年》中明确地把“高档数控机床和基础制造技术”列为十六个重大专项之一，并将全数字化高速高精度运动控制技术作为其中有待突破的关键技术；在“十一五规划”中也将发展高档数控机床作为振兴重大技术装备制造水平的重要内容；在“十二五”期间我国机床行业的发展目标明确，高档数控机床将成为今后的发展重点。

直驱龙门式运动平台采用双永磁直线电机共同驱动横梁的平行结构，具有结构简单、推力大、稳定性高等优点，在激光雕刻、精密测量、数控加工等领域已得到广泛应用。当龙门式运动平台执行轮廓加工任务时，多采用将单轴位置跟踪与多轴耦合控制相结合的方法，此种方法虽然能够保证系统具有较高的轮廓精度，但是，由于引入耦合控制，再加上系统所固有的机械耦合特点，使系统的控制结构与控制指标比较复杂，难以广泛应用于实际系统中。此外，以减小各单轴位置跟踪误差为基础的轮廓控制方法会导致实际轨迹偏离期望轨迹，产生“轨迹缩减”现象，使实际轨迹轮廓小于期望轨迹轮廓，降低系统轮廓精度。通常，数控系统的路径规划和伺服控制过程是相互独立进行的，并没有形成一个有机整体，对于龙门式运动平台，其输出的轨迹是由2Y/X三轴直线电机共同作用的结果。此外，系统受诸多不确定因素的影响，因此，如何利用路径规划将提高系统稳定性问题与多轴协调性能统一起来，提高复杂轨迹轮廓精度，正是本领域的关键问题之一。

在实际零件加工时，龙门式运动平台执行高速轮廓任务时，系统所受参数变化、负载扰动、摩擦力及系统未建模动态等不确定因素的影响也极大地降低了系统的轮廓加工精度。因此，如何确保系统既要对任意复杂轨迹输入具有跟踪能力，又要对不确定非线性扰动具有抑制能力，提高系统运行稳定性，是本领域的关键问题之二。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种直驱龙门式运动平台轮廓控制装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种直驱龙门式运动平台轮廓控制装置，包括IPM、霍尔电流传感器、位置传感器、DSP控制系统、IPM隔离驱动保护电路；

IPM的输出端连接直驱龙门式运动平台2Y/X方向直线电机定子三相绕组的输入端；

霍尔电流传感器、位置传感器均有两个，两个霍尔电流传感器的输入端分别连接直驱龙门式运动平台的2Y/X方向直线电机，两个位置传感器的输入端分别连接直驱龙门式运动平台的2Y/X方向直线电机，霍尔电流传感器的输出端、位置传感器的输出端分别连接DSP控制系统的输入端，DSP控制系统的输出端连接IPM隔离驱动保护电路的输入端，IPM隔离驱动保护电路的输出端连接IPM的逆变单元的输入端。

所述DSP控制系统设置有NURBS插补器、流线场路径规划器、Lyapunov速度控制器和驱动器；

NURBS插补器作为龙门式运动平台执行任意轮廓运动的指令发生器，用于根据待加工工件的形状进行轨迹规划，确定直驱龙门式运动平台的2Y/X方向直线电机的初始位置；

流线场路径规划器用于建立从直驱龙门式运动平台的轮廓曲线微分系统到欧氏微分系统的对应向量关系，将位置-速度-电流的三环控制转化为速度-电流的二环控制，得到直驱龙门式运动平台的2Y/X方向直线电机的规划速度；

Lyapunov速度控制器用于抑制扰动并实现对直驱龙门式运动平台的2Y/X方向直线电机规划的运动速度的精确跟踪；

驱动器用于分别对采样的2Y/X方向直线电机电流进行三相静止坐标到两相旋转坐标的变换、利用交轴计算推力并求出推力偏差、根据推力偏差进行电流调节、对调节后的电流值进行两相旋转坐标到三相静止坐标的变换，将变换得到的电流值作为载波与三角波调制获得用于控制IPM隔离驱动保护电路的开通关断的PWM信号。

所述Lyapunov速度控制器包括扰动补偿器和速度控制器；

扰动补偿器用于对直驱龙门式运动平台的2Y/X方向直线电机进行扰动估计，得到扰动力估计值，即扰动补偿控制信号，利用扰动补偿控制信号实现抑制扰动；