专利名称：基于方向场的电机驱动xy平台轮廓加工控制装置及方法
技术领域：
本发明属于数控加工技术和控制领域，特别涉及一种基于速度场和方向场的加工精度控制装置及方法。
背景技术：
当今世界各国装备制造业广泛采用数控技术提高制造能力和水平。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径之一。同时，用高效率加工方法已经成为当今制造业的迫切要求，在刀具等技术的配合下，出现了高速高精度加工的切削机床，主要是各类加工中心和各种数控机床。当今所谓高速高精度加工机床，不仅要有很高的主轴切削速度，而且要有很高的进给速度和加速度，同时应当具有亚微米级以致更高的加工精度。而XY数控平台系统的精密轮廓跟踪控制在数控机床中具有代表性，对提高数控系统加工精度和性能具有重要的作用。在XY平台伺服系统中，相对于传统的间接驱动方式，直线电机直接驱动方式具有明显的优势。然而，此时伺服系统对负载扰动、端部效应和摩擦力扰动等不确定性更为敏感，增加了电气控制上的难度，使其伺服性能降低。随着对数控系统的精度和速度的要求越来越高，对伺服控制器也提出了更高的要求。提高加工速度可以缩短加工时间，提高加工效率，然而在XY平台实现高速加工时，若跟踪轨迹有较剧烈的变化或者轮廓轨迹上存在较大弯曲，导致轮廓跟踪误差增大，严重影响轮廓加工精度。因此，为了在加工精度和加工速度之间取得平衡，解决XY平台高速度和高精度之间的矛盾，探寻实现XY数控平台的高速度、高精度控制策略尤为重要。数控系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，因此，轮廓精度的提高涉及到机床各进给轴的动态特性和参数匹配。对于高速加工和精密加工，机床进给系统各轴间的动态特性不同、控制系统参数不匹配是轮廓跟踪误差的主要来源，因此，对各轴间的动态特性进行分析是降低轮廓误差的首要问题。外部扰动是产生轮廓跟踪误差的另一重要因素。在XY平台控制系统中，加工部件质量的变化较大，对系统性能影响也较大，所以系统参数也是产生轮廓误差的重要因素。在运动控制系统中，存在许多不确定性的非线性因素的影响，在单轴上，采用经典的PID伺服控制算法很难保证所要求的设计精度。为消除这些不良影响，设计和制造更精密的机械零件将使系统造价昂贵；然而采用廉价计算技术，适当的补偿策略将使得应用相对廉价的机械零件成为可能。为了消除不确定性的影响，采用了有效的控制方案。对于一般精度而言，像PID这样的经典线性控制策略能够很好的满足要求。在数控机床的轮廓加工中，一般采用常规比例(P)型或者比例微分(PD)型控制器，它对各坐标轴的参数匹配有严格的限制。同时对于切削力、导轨非线性摩擦力、系统模型振动的影响，都可能严重地降低了整个闭环系统的控制性能。但是对于需要高精度控制的情形，由于不光滑非线性的影 响，经典的控制策略可能不再适用。随着高精度复杂型面零件加工的不断增加，轮廓精度已成为数控机床(CNC)系统的重要精度指标。CNC系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，因此轮廓精度的提高涉及到机床进给轴动态特性和参数匹配，多轴轨迹运动控制的主要目的就是保证系统的实际运动轨迹一直维持在给定的命令轨迹上。传统方法一般设计跟踪控制器以减少系统跟踪误差，但如果两轴当中有一个轴的跟踪误差较大，系统的轮廓误差也就很大，而在轮廓控制系统中轮廓误差比跟踪误差更重要，轮廓精度较单轴位置精度而言更直接影响工件的加工精度，对于如何提高轮廓加工精度问题，其中一些方法是以单轴的追踪误差做控制目标，希望由降低单轴的跟踪误差来改善轮廓误差，也就是将双轴的轮廓控制问题简化成各单轴的跟踪控制问题，期望由此降低各轴跟踪误差，使其多轴轮廓误差值也随之降低实际上，轮廓误差并不一定相应地降低，这是由于各轴系统动态响应不一致以及输入信号不同所致，此现象在高速运动中尤其显著。而另一些方法利用直接减小轮廓误差的控制算法首先估算出轮廓误差大小，然后对各个坐标运动轴进行协调控制。但对于以NURBS曲线为代表的自由轨迹轮廓加工，由于轨迹为瞬时突变的，曲率变化瞬时性较强，再利用传统轮廓控制方法对轮廓误差的减小效果并不明显，且算法复杂并不实用。因此，通过建构指令轨迹的速度场，将传统轮廓一跟踪控制问题转化为速度控制 问题，简化了控制过程，但针对以NURBS曲线为代表的自由轨迹轮廓运动控制问题，速度场
难于建立。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置及方法，以达到转换系统控制方式、速度误差小，系统外部扰动小、参数变化小、鲁棒性能强，轮廓加工精度高的目的。一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置，该装置包括交流调压单元、电压调整电路、整流滤波单元、IPM逆变单元、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流采样电路、位置采样电路和IPM隔离驱动保护电路，所述的数字信号处理器DSP内还设置有NURBS插补器、速度场控制器、IP控制器和积分器；所述的数字信号处理器DSP内部NURBS插补器作为产生XY平台加工轮廓轨迹的指令发生器，用于产生XY平台系统的电机动子位置指令信号；速度场控制器用于将NURBS插补器输出的位置指令信号转换为速度指令信号；IP控制器用于消除XY平台系统的X、Y轴速度误差；积分器用于将直线电机模块输出的实际速度信号转换为XY平台系统实际的电机动子位置信号。采用基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置进行轮廓加工的方法，包括步骤如下步骤I :由数字信号处理器DSP内的NURBS插补器计算XY轴相应的电机动子位置坐标，作为XY平台控制系统的输入；步骤2 :利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，并将这个速度指令信号送入XY平台的控制系统；步骤3 :确定直线电机速度；步骤4 :通过光栅尺采样电机动子速度，在数字信号处理器DSP内比较后，执行IP控制器；
步骤5 :数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动XY平台的X、Y两轴直线电机按照速度指令的方向及大小进行轮廓运动；整流滤波电路把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。步骤2中所述的利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，包括以下步骤步骤2-1、在二维平面内选择一个矩形区域，选择一个网格间距h及网格个数n，划定这个矩形区域的网格。步骤2-2、求解每个网格点上的方向场向量，并利用方向场向量计算期望轨迹通过该网格点的速度V大小，其值为
权利要求
1.一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置，该装置包括交流调压单元、电压调整电路、整流滤波单元、IPM逆变单元、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流采样电路、位置采样电路和IPM隔离驱动保护电路，其特征在于所述的数字信号处理器DSP内还设置有NURBS插补器、速度场控制器、IP控制器和积分器； 所述的数字信号处理器DSP内部NURBS插补器作为产生XY平台加工轮廓轨迹的指令发生器，用于产生XY平台系统的电机动子位置指令信号；速度场控制器用于将NURBS插补器输出的位置指令信号转换为速度指令信号；IP控制器用于消除XY平台系统的X、Y轴速度误差；积分器用于将直线电机模块输出的实际速度信号转换为XY平台系统实际的电机动子位置信号。
2.采用权利要求I所述的基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置进行轮廓加工的方法，其特征在于包括步骤如下 步骤I :由数字信号处理器DSP内的NURBS插补器计算XY轴相应的电机动子位置坐标，作为XY平台控制系统的输入； 步骤2 :利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，并将这个速度指令信号送入XY平台的控制系统； 步骤3 :确定直线电机速度； 步骤4 :通过光栅尺采样电机动子速度，在数字信号处理器DSP内比较后，执行IP控制器； 步骤5 :数字信号处理器DSP产生六路PWM脉冲信号，驱动XY平台的X、Y两轴直线电机按照速度指令的方向及大小进行轮廓运动； 整流滤波电路把三相交流电转换成直流电给IPM逆变单元供电，IPM逆变单元根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对IPM逆变单元内的六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动直线电机运行。
3.根据权利要求2所述的基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置进行轮廓加工的方法，其特征在于步骤2中所述的利用方向场控制将NURBS输出的位置指令转化为各轴的速度指令，包括以下步骤 步骤2-1、在二维平面内选择一个矩形区域，选择一个网格间距h及网格个数n，划定这个矩形区域的网格； 步骤2-2、求解每个网格点上的方向场向量，并利用方向场向量计算期望轨迹通过该网格点的速度V大小，其值为V = 4(dxldtf +{dyldtf其中V为该网格点的速度； X为Y轴上的量； y为Y轴上的量； t为时间； 步骤2-3、当轨迹不在网格点上时，其速度可以利用特殊插值方法通过相邻网格点的速度进行确定 ①当轨迹通过两个相邻网格点中间时，可以利用相邻两个网格点的速度V1与V2，按照下式计算
全文摘要
本发明一种基于方向场的电机驱动XY平台轮廓加工控制装置及方法，该装置包括交流调压单元、电压调整电路、整流滤波单元、IPM逆变单元、数字信号处理器DSP、霍尔传感器、光栅尺、电流采样电路、位置采样电路和IPM隔离驱动保护电路，所述的数字信号处理器DSP内还设置有NURBS插补器、速度场控制器、IP控制器和积分器；本发明采用基于方向场理论的速度场控制器，使得给定轨迹路径完全转换为由速度场编码的轨迹，转换系统控制方式；基于速度前馈的IP控制减小速度误差，减小了系统外部扰动和参数变化等不确定因素，从而保证了系统的强鲁棒性能，提高轮廓加工精度。
文档编号G05B19/19GK102707666SQ20121022247
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者孙益标, 李兵, 王丽梅, 赵希梅 申请人:沈阳工业大学