直线电机在微电子领域中的应用

直线电机是一种做直线运行的驱动电机.它的性能优劣直接影响到设备的精度、生产效率及产品的质量.文章介绍了如何用工业控制器和直线电机驱动器实现直线电机的超高速、高精度、无过冲、无振荡控制.直线电机的速度环由驱动器用PP算法闭合,位置环由工业控制器用带速度前馈的PID算法闭合.     

永磁同步直线电机的FCPID控制研究

为提高永磁同步直线电机的控制精度,满足高速度高精度运动控制系统的要求,建立了直线电机高精度动力学模型,搭建了带前馈模型补偿(Feedforward Compensation)的PID(FCPID)控制器。实验结果表明,该方法能够快速稳定地跟踪目标轨迹并保持较高的跟踪精度,可显著提高直线电机轨迹跟踪运动系统性能,适用于精密运动控制系统。     

直线伺服系统时滞参数辨识与补偿研究

为解决直线伺服固有时滞特性对轨迹跟踪性能的影响,以典型的前馈加反馈二自由度控制结构为基础,分析直线伺服时滞特性对其轨迹跟踪精度的影响。在此基础上设计了前馈环节上的时滞控制器,之后针对时滞控制器位于前馈通道时作为一个超前环节控制上无法实现的问题,将时滞参数分为两部分,分别调节理想轨迹指令按照整数倍伺服周期延时及前馈控制信号滤波延时以达到时滞补偿的目的,引入牛顿迭代寻优进行最优时滞参数辨识。仿真与试验结果表明,在前馈加反馈二自由度控制的基础上加入时滞控制器可以有效减小直线伺服系统的闭环位置跟踪误差,特别是显著减小非零加加速度段的闭环位置跟踪误差,提高轨迹跟踪性能。     

浸没式光刻机精密运动平台设计

针对浸没式光刻机光刻头高速度、高加速度的运动特点,设计了一种短行程、超精密的运动定位平台,以直线交流伺服电机驱动。设计了直线运动平台的机械结构,建立了直线运动平台的数学模型,按部分模型匹配法设计了直线交流伺服电机PID控制器,实现了PID参数自适应的在线调整,进行了多次参数分析和实验验证。实验表明:开发的定位平台,瞬间速度和加速度大,具有理想的动态性能和高稳态精度;控制器的同步控制精度较高,速度同步精度得到了较大提高,可对强机械耦合的多电机实现同步控制,适用于浸没式光刻机等精密仪器领域。     

超精密工作台控制方案的优化选择

采用直线电动机加气浮导轨模式搭建大行程纳米级分辨率的超精密工作台,并建立超精密工作台进给系统的数学模型.通过计算机仿真分别分析单位反馈PID控制、带加速度前馈的PID控制、位置速度双环反馈和Smith预估控制等控制模式在不同材料做导轨时的控制指标.在控制系统选择上采用层次分析法建立综合评价体系,通过分析、计算、比较,确定位置环、速度环的双环反馈控制为本工作台最佳控制方案.     

基于级联滑模控制的高精度光电跟踪与捕获

为了进一步提高光电跟踪系统的目标捕获和跟踪性能,提出了一种基于变增益趋近律的级联滑模控制方法。基于反双曲正弦函数和幂次项设计了新型变增益滑模趋近律,在提高滑模面趋近速度的同时抑制滑模抖振现象;基于变增益滑模趋近律设计速度环和位置环滑模控制器构成级联滑模控制,以提高系统的动态响应性能和鲁棒性,提高系统对目标的捕获能力和跟踪精度。最后,以某球形光电跟踪系统的方位轴作为控制对象,进行了传统级联PI控制和级联滑模控制方法的对比分析。实验结果表明,相比于传统级联PI控制,捕获速度为1(°)/s的目标时,级联滑模控制可以将目标捕获时间减小32%;跟踪等效最大速度为4(°)/s和最大加速度为2(°)/s 2的正弦引导信号,可将跟踪误差RMS值减小31%,采用级联滑模控制可有效提高跟踪系统的控制性能。     

基于变增益速度前馈的气动位置系统的研究

首先对气动位置系统的传统PVA控制方法及动态误差系数进行了理论分析,系统动态响应滞后造成的跟踪误差主要由输入信号的速度项产生,且速度动态误差系数大小随输入信号速度的变化而变化,根据这一特点,设计了变增益速度前馈控制器.变增益速度前馈控制方法能有效地补偿系统闭环的相位滞后,明显提高了轨迹跟踪精度.     

基于前馈型模糊PID的电火花主轴运动控制研究

电火花成型机主轴的驱动系统一般采用旋转电机+滚珠丝杠机构,其结构特性导致线速度、加速度及定位精度均有限.在一些极端加工条件下,可能出现排屑困难,导致无法满足超高速、超精密电火花加工需求.针对上述问题,设计了直线电机直接驱动系统,提出了一种前馈型模糊二自由度PID(two Degree Of Freedom-PID,2DOF-PID)控制器结构.建立了电机矢量控制系统的数学模型,设计了模糊2DOF-PID速度控制器.通过模糊规则实时调整2DOF-PID参数,采用该控制器的直线电机控制系统不仅能使跟踪能力和抗干扰能力同时达到最优,且能够满足主轴快速平稳的换向要求.仿真结果显示,模糊2DOF-PID速度控制器的响应速度是传统PID控制器的3.7倍;在受到外部突加扰动时,模糊2DOF-PID速度控制器的速度波动量仅为传统PID控制器的1/8,能较好适用于电火花成型加工.     

基于终端滑模控制器的高精度伺服系统设计

随着工业机器人与精密机床的发展,传统的三环控制策略无法满足伺服系统对动态响应速度、位置跟踪精度及超调量越来越高的要求。针对这一问题,结合已有的研究成果,提出微分前馈控制与终端滑模结合的控制策略,在负反馈基础上,添加位置前馈控制,实现位置信号的快速跟踪,将非奇异快速终端滑模控制方法应用到位置环与速度环,提高电机位置跟踪精度以及在电机出现较大位置误差时减小超调量。理论分析和仿真验证算法的可行性和有效性。     

直线电机伺服驱动特性研究

本文将直线电机用于中凸变椭圆活塞数控车削的X轴进给,设计了永磁直线电机伺服系统结构,建立了永磁直线电机的数学模型,采用PMAC的PID 速度/加速度前馈控制算法作为直线电机位置控制算法,将一弹簧阻尼施力装置加载于直线电机进给平台,用来模拟直线电机在加工中凸变椭圆活塞时所受切削力,试验结果验证了系统控制算法的合理性和可行性.     

压电陶瓷微动台的复合控制

压电陶瓷微动台的迟滞非线性严重影响其动态定位精度,为了解决这一问题,采用一种改进的PI模型对微动台的迟滞非线性进行了建模.为了提高传统PID算法对压电陶瓷微动台的动态定位性能,将改进的PI模型与传统PID算法组合构成前馈复合控制算法,并进行了微动台的慢速与快速动态定位实验.结果表明,对同频曲线定位时,前馈PID复合算法的最大误差为传统PID算法的40％左右,平均误差为传统算法的20％～30％左右;对多频曲线定位时,前馈PID复合算法的最大误差和平均误差为传统PID算法的33％左右.数据表明前馈PID复合算法的动态定位性能明显优于传统PID算法.     

Supervisory hybrid control of piezoelectric actuators utilized in tracking piecewise continuous trajectories

This article presents a supervisory hybrid control design for piezoelectric actuators utilized in tracking trajectories with intermittent jump discontinuities. We use a previously developed robust adaptive controller and a standard PID controller to construct this hybrid control strategy. We show that when the sub-controllers are used for step tracking, while primarily tuned for continuous trajectory tracking, large undesirable oscillations occur. Conversely, when the controllers are retuned for step tracking, their performance degrades in tracking high-frequency continuous trajectories. Thus, a supervisory hybrid controller is developed to track desired trajectories with occasional discontinuities, using both the robust adaptive and the PID controllers. The robust adaptive controller performs as the primary controller for tracking the continuous segments of the desired trajectory, while the PID controller is activated when the steps occur. Results indicate that the proposed supervisory hybrid controller outperforms both sub-controllers in tracking high-frequency trajectories with intermittent discontinuities.     

基于PID+ESO控制器的气动机械手控制仿真分析及试验研究

针对现实中的气动机械手存在的停滞及控制精度不高等缺点,为了使气动机械手具有更好的运动轨迹跟踪特性,降低非线性,通过分析PID+ESO控制器原理,对采用PID控制和扩张状态观测器PID控制下的气动机械手进行了理论研究。通过对控制器的设计,在MATLAB/Simulink软件上分别对两种不同的控制方法进行仿真,得到各轴的目标跟踪曲线和跟踪误差曲线。将此控制器原理应用于气动试验台,得出基于扩张状态观测器PID控制下的误差较低。应用于直角坐标气动机械手响应速度快、控制精度高。     

挖掘机器人伺服系统神经网络滑模控制

挖掘机器人伺服系统存在高度非线性、参数不确定和未建模动态等诸多不利因素,提出了一种结合径向基函数(RBF)神经网络的非线性滑模控制器,以提高控制精度和鲁棒性。首先,建立了单联伺服系统的数学模型;其次,采用RBF神经网络对系统的不利因素进行逼近,提出积分滑模面进一步减小稳态误差,同时减少对伺服系统参数的依赖,在此基础上,设计了基于RBF神经网络的滑模控制器(SMC-RBF),利用Lyapunov理论证明了系统的渐近稳定性;最后,通过不同的参考信号和整平实验验证了控制器的优越性。仿真结果表明,SMC-RBF控制器响应快,跟踪精度高且鲁棒性强,与PID控制器相比正弦轨迹跟踪精度提高了46%。整平实验结果表明,铲斗末端轨迹跟踪精度提高了52%。     

Model reference adaptive control for a piezo-positioning system

Piezoelectric (PZT) actuators having the characteristic of infinitely small displacement resolution are popularly applied as actuators in precision positioning systems. Due to its nonlinear hysteresis effect, the tracking control accuracy of the precision positioning system is difficultly achieved. Hence, it is desirable to take hysteresis effect into consideration for improving the trajectory tracking performance. In this paper, a model reference adaptive control scheme based on hyperstability theory is developed for a moving stage system driven by a PZT actuator. It is worth emphasizing that the controller can be constructed without a nonlinear hysteresis dynamic equation to compensate the hysteresis effect. According to simulation results, the tracking error was only nanometer order. Through experimental examinations, the tracking performance was obtained as precision as ten nanometers order which is the resolution limitation of the measurement system. The effectiveness of the proposed adaptive control scheme was validated.     

伺服电机驱动的液压动力系统及其神经网络自适应优化控制

针对传统液压系统存在的高能耗、低响应特点,采用节能型液压动力源-永磁伺服电机直接驱动定量泵,以取代原有的异步电机驱动液压动力源,从而形成一种新型的节能、响应快速、易实现闭环控制的液压动力系统。由于实际液压系统随机干扰严重,具有多变量、非线性、强耦合的特征,难以建立较准确的数学模型,常规的PID控制算法很难满足液压系统高精度控制的要求,因此提出基于PSO与BP混合优化前向神经网络 PID自适应控制方法,实现液压系统在典型工况下流量的精确控制。PID控制器的参数采用神经网络进行自适应整定,神经网络的权值采用混合优化算法进行调整,通过神经网络的自学习能力寻找最佳的P、I、D非线性组合控制律,以增强液压系统对工况变化的适应能力。仿真和实验结果表明,该控制方法跟踪速度快、超调小、鲁棒性强,从而为液压系统流量高精度控制提供了一种新方法。     

基于PID控制的矿井水处理自动投药系统仿真研究

把PID控制和模糊控制相结合,用串级模糊自整定PID控制器实现了矿井水处理自动投药控制。并用MATLAB/Simulink软件进行串级模糊自整定PID控制的仿真分析。分析结果表明:在矿井水处理自动投药控制过程中,利用串级模糊自整定PID控制可以达到调节时间短、超调小、调节迅速的目的,提高了系统的控制精度和稳定性,改善了整个系统的动态品质。     

超磁致伸缩致动器的广义预测-多模PID控制

为了克服超磁致伸缩致动器的磁滞现象对精密驱动定位精度的影响,在进行磁滞补偿的前提下,研究了自校正PID控制方法,提出了基于广义预测控制的广义预测-多模PID控制方法。介绍了广义预测控制的主要思想,并由此导出PID参数与被控对象待估参数的关系,实现了广义预测PID控制;针对起动阶段控制效果不平稳的问题,提出了多模PID控制模式转换条件;最后,根据PID参数变化情况,建立致动器的多模PID控制方法,实现广义预测PID与常规PID的在线控制模式转换与控制。实验结果表明,采用广义预测-多模PID控制器,虽然单次平均运算时间比广义最小方差-模糊PID控制器长7ms,但跟踪误差均方差减少了0.066μm;同时改善了起动平稳性。提出的控制方法能有效消除由扰动带来的影响,提高跟踪精度,改善起动平稳性,适用于对实时性、控制精度要求较高的精密定位领域。     

Backstepping sliding mode tracking control of a vane-type air motor X-Y table motion system

Air motors are increasingly being used in pneumatic related industries because of their advantages of low operating cost and low maintenance. The DSP controller and the backstepping sliding mode control method were utilized in this study to control an X-Y pneumatic table for tracking trajectory. Due to the effects of the compressibility of air, friction between the motor and ball screw table and the dead-zone effect caused by the proportional valve, the system will yield different responses even with the same inlet pressure and will chatter at low speed. Hence under certain conditions, this method of backstepping sliding mode control can be applied to achieve better results than with the PID controller, such as for tracking circle error and tracking error of the two axes. According to the results, a steady-state error of 0.5 μm can be achieved. The proposed method of backstepping sliding mode control can accomplish accurate tracking circle trajectory performance, offering an improvement in the tracking error of more than 50% over that of the PID controller.     

A practical control method for precision motion—Improvement of NCTF control method for continuous motion control

The present paper describes a practical control method for a precision motion system and the performance thereof. For practical use, high motion control performance and ease of design and controller adjustment are desired. A nominal characteristic trajectory following control (NCTF control) has been investigated to realize high performance and ease of application of point-to-point (PTP) positioning. The controller comprising a nominal characteristic trajectory (NCT) and a PI compensator is free from exact modeling and parameter identification. In the present paper, the NCTF control is modified in order to improve the control performance of continuous motions such as tracking and contouring motions. The NCTF controller for continuous motion (referred to as Continuous Motion NCTF controller) has a structure that is almost identical to the conventional NCTF controller and is designed using the same design procedure. The Continuous Motion NCTF controller is applied to ball screw mechanisms, and its motion control performance is evaluated from the experimental tracking, contouring, and positioning control results. The experimental results prove that the Continuous Motion NCTF controller achieves the same positioning performance as the conventional NCTF controller, and generally achieves better continuous motion control performances than PI-D or conventional NCTF controllers. In 0.25 Hz and 100-nm radius circular motion, the experimental tracking errors for Continuous Motion NCTF were smaller than 10 nm.