直驱H型平台的多轴全局任务坐标系轮廓控制

作     者：张鉴 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王丽梅

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：直驱H型平台 刚柔耦合动力学建模 多轴全局任务坐标系 自适应等效积分滑模控制 轮廓控制 

摘      要：直驱H型平台由三台永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM)构成且具备快速动态响应、高精度加工的优点,目前已经被工业界广泛认可并应用。本文针对伺服运动平台冗余轴间存在的强机械耦合现象导致的大曲率轨迹跟踪中难以维持高轮廓精度的问题,提出了一种在多轴全局任务坐标系(Multi-axis Global Task Coordinate Frame,MGTCF)中建立平台刚柔耦合模型并结合自适应等效积分滑模(Adaptive Equivalent Integral Sliding Mode Control,AEISMC)的轮廓控制策略,可充分提升轮廓跟踪精度及系统鲁棒性。首先,本文介绍了直接驱动的H型平台技术研究现状、工作原理及运动平台的轮廓控制方式的分类、发展。平台实际运动中横梁两端PMLSM受到横梁处的X轴PMLSM动子作横向往复运动的影响,同时又易受负载扰动、平台未建模量等不确定非线性因素影响造成纵向两台PMLSM动力学不匹配而出现横梁偏转现象。针对纵轴间的同步误差,本文建立基于广义坐标系的直驱H型平台三自由度刚柔耦合模型,明确横梁旋转模态并建立各驱动轴间完整的动力约束关系,初步给出广义坐标系下的平台模型处的运动点定位方式。其次,针对三自由度平台动力学模型与传统全局任务坐标系(Global Task Coordinate Frame,GTCF)自由度不匹配的问题,本文提出了一种基于直驱H型平台刚柔耦合模型的多轴全局任务坐标系模型。针对定位点偏离问题,在GTCF原有的轮廓误差轴和跟踪路程轴的基础上引入曲率轴,保证平台动力学模型与轮廓误差计算模型MGTCF自由度一致。同时以横梁偏转角和坐标轴偏转角为性能指标,运动点得以在轮廓误差计算模型部分进一步明确位置坐标。MGTCF解决了GTCF实际定位点受限于其沿期望轮廓法向投影点的恒定约束,修正了轴间未完全解耦带来的局部非正交量。同时,采用一种积分滑模策略作为高速轮廓跟踪控制器,将MGTCF与GTCF在大曲率期望轨迹下的轮廓跟踪性能进行对比。仿真结果可表明MGTCF在大曲率轮廓控制中的跟踪性能优于GTCF。最后,为补偿直驱H型平台动力学模型中的未建模量,抑制系统参数不确定性及不确定非线性干扰,系统采用一种结合自适应等效积分滑模的轮廓控制策略。仿真结果表明本文提出的建模方法和控制策略能够充分提升平台轮廓控制性能,保证系统鲁棒性。