沈阳工业大学研究团队提出一种直驱XY运动平台轮廓控制方法

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在智能装备和工业现代化的引领下，我国制造业亟需从“制造大国”向“制造强国”转变。作为工业母机，数控机床承载着工业现代化的特殊使命。直驱XY运动平台是实现多轴高档数控机床平面XY坐标运动的关键功能部件，由两台正交放置的直线伺服电机构成，具有高速度、高精度和高效率的优点，被广泛应用于高速精密测量系统、电子与半导体加工设备、自动化设备等领域。 因此，研究直驱XY平台控制策略具有重要的理论价值和实际意义，这将使多轴协调控制理论得以丰富和发展，对联动机床、机器人等领域的多轴协调控制具有指导意义。

研究背景

工业机器人和电子制造装备产业的飞速发展对数控装置的精度和速度提出了更高的要求。直驱XY运动平台可实现多轴高档数控机床在XY坐标系的运动，具有响应速度快、加工精度高的优点，是实现精密轮廓控制的关键部件。

然而，由于直驱XY平台采用两台永磁直线同步电机作为动力源，系统中存在的非线性动力会不经过传动环节衰减而直接影响到平台的运动。此外，运动过程中两个进给驱动轴的匹配和协调性问题也会降低系统的轮廓加工精度。为此，解决轮廓精密跟踪控制难题是当前多轴机械加工行业的重要任务。

论文所解决的问题及意义

在实际加工过程中，直驱XY运动平台完成的加工轨迹是两轴电机协调运动的结果，因此，工件表面的质量取决于轮廓误差。然而，直线电机本身存在的端部效应和磁路开断现象使得其推力存在波动，同时，由于直线电机直接驱动系统缺少中间传动环节的缓冲作用，会使外界扰动信号的作用效果明显，导致直线电机伺服系统控制困难。

此外，两台直线电机之间存在的耦合问题以及参数不匹配等问题也会影响电机的位置跟踪精度和轮廓精度。因此，设计具有强鲁棒性的轮廓控制器有利于满足高精度轮廓加工要求，对于提升高精数控装备的加工品质具有重要意义。

论文方法及创新点

针对上述问题，本文提出一种能够实时精确计算的参考调整轮廓误差（Reference Adjustment Contour Error，RACE）模型，并基于此模型设计了自适应非线性滑模轮廓控制（Adaptive Nonlinear Sliding Mode Contour Control，ANSMCC）方法，能够保证系统在具有快速动态响应速度的同时，提高轮廓跟踪精度。同时，设计不确定性补偿器（Uncertainty Compensator，UC）减小参考模型与实际对象之间的误差，补偿不确定性动力学对轮廓精度的影响。

图1 跟踪误差与轮廓误差示意图

图2 控制系统总体框图

在实验中，控制算法通过DSP TMS320F28335系统应用到直驱XY运动平台的轮廓控制中。为测试本文提出的轮廓控制方法的有效性，在①基于传统轮廓误差模型的自适应滑模轮廓控制（Adaptive Sliding Mode Contour Control，ASMCC）、②基于RACE模型的ANSMCC方法、③基于RACE和UC的ANSMCC方法，三种轮廓控制方法下进行空载低速运行、空载高速运行和拖动负载运行三种对比实验。

图3 基于DSP的直驱XY运动平台实验系统硬件结构

图4 低速跟踪椭圆期望轨迹轮廓误差曲线

图5 高速跟踪椭圆期望轨迹轮廓误差曲线

图6 四叶草期望轨迹轮廓跟踪误差曲线

通过上述实验结果可以得出，不论是在空载、负载、低速或高速等情况下，所设计的方法都能够确保直驱XY运动平台的轮廓跟踪性能，满足高精度轮廓加工要求。

结论

为提高直驱XY平台在执行大曲率加工任务时的轮廓加工精度，利用坐标变换和等效轮廓误差思想提出RACE模型，并基于此模型设计具有非线性滑模面的ANSMCC方法，减小轮廓跟踪误差并提高系统动态响应速度。为克服不确定性动力学对系统的影响，设计UC以提高系统的鲁棒性。最后通过实验得出：

1）同传统的以跟踪误差法向分量近似轮廓误差的方法相比，RACE模型更适用于大曲率参考轨迹，具有简单、准确的特点。

2）通过引入非线性滑模面，ANSMCC方法能够有效提高系统响应速度和轮廓加工精度。

3）UC可以补偿不确定性动力学对系统的影响，从而使直驱XY运动平台伺服系统具有较强的鲁棒性。

团队介绍

依托于“特种电机与高压电器”教育部重点实验室和“国家稀土永磁电机工程技术研究中心”，沈阳工业大学电气工程学院功率电子与运动控制研究所长期从事伺服驱动技术和数控技术等方面的学习和研究工作。研究团队成员理论基础扎实、研究经验丰富、学术态度端正，近年来已经完成多个国家级、省部级以及市厅级的研究项目。

金鸿雁

1993年生，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为电机控制、智能控制。

宫艳书

1999年生，硕士研究生，研究方向为电机控制。

赵希梅

1979年生，博士生导师，教授，研究方向为电机控制、智能控制、机器人控制等。

本工作成果发表在2023年第18期《电工技术学报》，论文标题为“基于参考调整轮廓误差的直驱XY运动平台自适应非线性滑模轮廓控制”。本课题得到辽宁省博士科研启动基金计划资助项目的支持。

引用本文

金鸿雁, 宫艳书, 赵希梅. 基于参考调整轮廓误差的直驱XY运动平台自适应非线性滑模轮廓控制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(18): 4900-4909. Jin Hongyan, Gong Yanshu, Zhao Ximei. Adaptive Nonlinear Sliding Mode Contour Control for Direct Drive XY Motion Platform Based on Reference Adjustment Contour Error. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(18): 4900-4909.

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