直線電機點到點定位裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種直線電機點到點定位裝置及方法，具體設及一種基于擴張狀態觀 測時間最優控制器的直線電機點到點定位裝置及方法，屬于直線電機運動控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 直線電機，又稱"電磁直線執行器"，屬于"直接驅動執行器"范疇。直線電機取消了 中間傳動環節，具有結構簡單、響應快、精度和效率高等優點，有利于實現高速高精度點到 點定位運動和高精度軌跡跟蹤直線運動性能，在現代工業、民用、醫療、交通和軍事等領域 具有廣泛的應用前景。
[0003] 直線電機系統由于缺少中間傳動環節的緩沖作用，因此更容易受到系統參數變 化、摩擦力、負載擾動力等系統非線性因素和不確定干擾的影響，給直線電機的高精度點到 點定位控制帶來很大的難度。
[0004] 為實現直線電機的高精度點到點定位控制，各種先進的控制算法被用來進行直線 電機的運動控制研究，較具代表性的有重復迭代學習控制、自適應魯棒控制和帶前饋的比 例積分微分控制等。其中帶前饋的比例積分微分控制具有系統實現簡單、參數調節方便和 不需要精確的系統模型等優點，但其抑制和抵抗系統非線性因素和不確定干擾的能力不 強，無法較好地實現直線電機高速高精度點到點定位控制性能。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種直線電機點到點定位裝置及方法。
[0006] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[0007] 直線電機點到點定位裝置，包括基于擴張狀態觀測時間最優控制器、第一求差電 路、電流控制器、功率驅動放大器、電流傳感器和位移傳感器;所述基于擴張狀態觀測時間 最優控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，所述基于擴張狀態觀測時間最優控制器的輸出 端與第一求差電路的輸入端連接，所述第一求差電路的輸出端與電流控制器的輸入端連 接，所述電流控制器的輸出端與功率驅動放大器的輸入端連接，所述功率驅動放大器的輸 出端外接直線電機，所述電流傳感器的輸入端與功率驅動放大器的輸出端連接，所述電流 傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，所述位移傳感器的輸入端外接直線電機， 所述位移傳感器的輸出端與基于擴張狀態觀測時間最優控制器的輸入端連接。
[000引所述基于擴張狀態觀測時間最優控制器包括時間最優控制器、第二求差電路和擴 張狀態觀測器;所述時間最優控制器的輸入端為所述基于擴張狀態觀測時間最優控制器的 輸入端，所述時間最優控制器的輸出端與第二求差電路的輸入端連接，所述第二求差電路 的輸出端為所述基于擴張狀態觀測時間最優控制器的輸出端，所述擴張狀態觀測器的輸入 端分別與第二求差電路的輸出端W及位移傳感器的輸出端連接，所述擴張狀態觀測器的輸 出端分別與時間最優控制器的輸入端W及第二求差電路的輸入端連接。
[0009]直線電機點到點定位裝置的定位方法，包括W下步驟：
[0010] 步驟I，電流傳感器采集直線電機的實際動子電流i ;
[0011] 步驟2,位移傳感器采集直線電機的實際運動位移X;
[0012] 步驟3,基于擴張狀態觀測時間最優控制器接收直線電機的目標位置yd和實際運 動位移X，輸出中間控制量Ul;
[0013] 步驟4,第一求差電路接收中間控制量m和實際動子電流i，將中間控制量m和實際 動子電流i比較后的誤差值e發送到電流控制器處理，電流控制器輸出實際電壓控制量U;
[0014] 步驟5,功率驅動放大器接收實際電壓控制量U，控制直線電機的運行。
[0015] 基于擴張狀態觀測時間最優控制器的處理過程為，
[0016] Al)擴張狀態觀測器計算直線電機實際運動位移的估計值Z1、直線電機實際運動 速度的估計值Z2和系統總和擾動的估計值Z3 ;
[0017] 具體計算公式為，
[0019] 其中，eo為Zi和X之間的誤差，b為控審幢增益，0日1、0日2、0日3為擴張狀態觀測器增益， 化Keo, 0.25,5)為非線性函數，S為化Keo, 0.25,5)中線性段的區間長度；
[0020] fal(eo,0.25，S)的具體公式為，
[0022] 其中，a為幕指數，sgn( ?)為符號函數；
[0023] A2)時間最優控制器接收直線電機的目標位置yd并進行處理；
[0024] 時間最優控制器的處理公式為， 「一r-sgn(a), a >d
[002引 Mo二化江11(馬-扣，寫，/%/0叫 / -r-{a/a), a <d
[0026] a和d的公式為，
[002引其中，r和ho為控制器參數，UO為時間最優控制器的輸出量；
[0029] A3)第二求差電路接收時間最優控制器的輸出量uo,計算出中間控制量m;
[0030] 計算公式為，
[0031] 山=(u〇-Z3)/b。
[0032] 電流控制器中的計算公式為，
[0033] U=Kpi ? e
[0034] 其中，Kp功電流控制器的參數。
[0035] 本發明所達到的有益效果:本發明設計了一種基于擴張狀態觀測時間最優控制器 的直線電機點到點定位裝置及方法，利用擴張狀態觀測器和時間最優控制器，在有效抑制 系統參數變化、摩擦力、負載擾動力等系統非線性因素和不確定干擾影響的基礎上，實現直 線電機高速高精度點到點定位控制性能。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明的結構框圖。
[0037] 圖2是本發明中不同目標位置定位性能對比圖。
[0038] 圖3是本發明中對系統參數變化的抑制能力對比圖。
[0039] 圖4是本發明中對外部擾動的抑制能力對比圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。W下實施例僅用于更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能W此來限制本發明的保護范圍。
[0041] 如圖1所示，直線電機點到點定位裝置，包括基于擴張狀態觀測時間最優控制器、 第一求差電路、電流控制器、功率驅動放大器、電流傳感器和位移傳感器。
[0042] 基于擴張狀態觀測時間最優控制器的輸入端為所述裝置的輸入端，基于擴張狀態 觀測時間最優控制器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，第一求差電路的輸出端與電 流控制器的輸入端連接，電流控制器的輸出端與功率驅動放大器的輸入端連接，功率驅動 放大器的輸出端外接直線電機，電流傳感器的輸入端與功率驅動放大器的輸出端連接，電 流傳感器的輸出端與第一求差電路的輸入端連接，位移傳感器的輸入端外接直線電機，位 移傳感器的輸出端與基于擴張狀態觀測時間最優控制器的輸入端連接。
[0043] 基于擴張狀態觀測時間最優控制器包括時間最優控制器、第二求差電路和擴張狀 態觀測器。
[0044] 時間最優控制器的輸入端為所述基于擴張狀態觀測時間最優控制器的輸入端，時 間最優控制器的輸出端與第二求差電路的輸入端連接，第二求差電路的輸出端為所述基于 擴張狀態觀測時間最優控制器的輸出端，擴張狀態觀測器的輸入端分別與第二求差電路的 輸出端W及位移傳感器的輸出端連接，擴張狀態觀測器的輸出端分別與時間最優控制器的 輸入端W及第二求差電路的輸入端連接。
[0045] 直線電機點到點定位裝置的定位方法，包括W下步驟：
[0046] 步驟1，電流傳感器采集直線電機的實際動子電流i。
[0047] 步驟2,位移傳感器采集直線電機的實際運動位移X。
[0048] 步驟3,基于擴張狀態觀測時間最優控制器接收直線電機的目標位置yd和實際運 動位移X，輸出中間控制量Ul。
[0049] 基于擴張狀態觀測時間最優控制器的處理過程為，
[0050] Al)擴張狀態觀測器計算直線電機實際運動位移的估計值Z1、直線電機實際運動 速度的估計值Z2和系統總和擾動的估計值Z3 ;
[0051] 具體計算公式為，
[(K)對其中，eo