- 頭條雙軸直驅平臺精密輪廓控制的新方法，加工精度高2021-04-19 作者：原浩 趙希梅 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為使雙軸直驅平臺在加工高進給率或存在尖角的輪廓時能實現高精度輪廓控制，沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員原浩、趙希梅，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文，提出一種動態輪廓誤差估計和互補滑模控制器相結合的精密輪廓控制方案。該控制方法能夠明顯地提高系統的控制性能，減小系統的輪廓誤差，進而改善雙軸直驅平臺的伺服系統輪廓加工精度。
目前，雙軸直驅平臺伺服系統已經廣泛用于工業制造中，如半導體微加工、微電子制造設備、光學指向裝置和印制電路板制造等高速自動化生產過程。雙軸直驅平臺伺服系統采用兩臺永磁直線同步電動機（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）驅動，當參考輪廓的進給率增加或者參考輪廓存在尖角時，受到不確定性因素影響的雙軸直驅平臺伺服系統的性能將會惡化，輪廓精度變低。因此，必須采取有效的控制策略，以實現雙軸直驅平臺伺服系統高速度、高精度的控制要求。
為提高系統的輪廓精度，許多研究通過單軸的跟蹤控制來減小輪廓誤差。然而此類方法不能完全解決各軸動態不匹配等因素的影響，保證單軸良好的跟蹤性并不能提高系統的輪廓精度。為實現各軸間協調控制，交叉耦合控制（Cross-Coupled Control, CCC）被廣泛應用于多軸運動控制領域。輪廓誤差估計（Contouring Error Estimation, CEE）是CCC中的關鍵部分，對輪廓誤差進行分析和準確估計至關重要。
有學者提出基于輪廓誤差傳遞函數的魯棒補償器變增益CCC方法，采用靜態CEE將曲線的正切估計近似為參考輪廓。然而這種方法僅適用于加工低速線性和圓形輪廓。有學者提出了一種基于等效誤差法的XY平臺二階滑模輪廓控制方案。但是該輪廓誤差模型與靜態CEE類似，在加工高進給率和尖角輪廓時系統的輪廓精度變低，而且滑模控制存在的抖振并未完全削弱。
為此，沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員原浩、趙希梅，采用牛頓極值搜索算法的動態CEE方法。動態CEE收斂速度更快，并且在每個采樣點都可以重建輪廓誤差參數的梯度向量與Hessian矩陣，以實現高精度輪廓控制。對輪廓誤差進行精確估計后，設計了控制器對含有不確定性的雙軸直驅平臺進行控制。
圖2 雙軸直驅平臺伺服系統框圖
互補滑模控制器（Complementary Sliding Mode Controller, CSMC）具有響應快，對系統參數變化和外部擾動不敏感等強魯棒性優點，廣泛應用于非線性控制系統。為了削弱抖振，CSMC的切換函數選用飽和函數，并且CSMC采用兩個滑模面相結合的方式，提高了位置跟蹤精度和系統的動態響應。
研究者針對雙軸直驅平臺伺服系統的輪廓精度控制問題，考慮到高進給率和尖角輪廓使得伺服系統的輪廓精度變低，提出了一種基于動態CEE和CSMC相結合的精密輪廓控制方案。動態CEE可以對高進給率和存在尖角的輪廓進行高精度的輪廓誤差估計，且CSMC能夠解決伺服系統存在的不確定性問題，削弱了抖振現象，提高了系統的輪廓精度。
圖4 雙軸直驅平臺伺服系統硬件結構
實驗結果表明，對于低進給率圓形輪廓，輪廓誤差保持在0.2～1.3μm；對于高進給率圓形輪廓，輪廓誤差保持在0.3～2.89μm；對于星形輪廓，在尖角處的最大輪廓誤差為2.9μm。因此，所采用的控制方案有效可行，滿足系統的精度需求，具有較高的輪廓精度，實現了高精密輪廓控制。
以上研究成果已發表在2019年第21期《電工技術學報》，論文標題為“基于動態輪廓誤差估計的雙軸直驅平臺精密輪廓控制”，作者為原浩、趙希梅。
