六自由度磁悬浮微动台控制策略研究

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六自由度磁悬浮微动台具有在高洁净度、高真空度环境下获得多自由度、高速高加速度、高定位精度等运动性能的潜在能力。其驱动单元音圈电机的结构与电气特性,使其推力系数随初级与次级相对位置角度改变而变化,引起主推力波动以及寄生力;同时微动台在设计、制造和装配时具有一定的机械误差,导致各音圈电机实际安装位置、角度与理论设计不同,微动台动子实际质心与理论质心不重合,进而导致系统解耦不完全,造成各自由度控制时存在推力串扰。因此如何抑制扰动,保证系统鲁棒性成为了六自由度磁悬浮微动台控制系统中的关键。本文针对六自由度磁悬浮微动台解耦控制以及扰动抑制,开展运动控制算法研究。首先,本文进行单自由度音圈电机模型建立以及推力波动分析,进而根据微动台结构,推导各音圈电机驱动力与解算点运动转换关系,并建立包含安装误差以及质心偏移的微动台含差模型。同时根据位移传感器安装位置进行解算点六自由度姿态解算。其次,根据微动台动力学耦合模型分别从位置相关耦合与力相关耦合两部分进行动力学解耦,将解算点处逻辑控制力/力矩转换为各音圈电机驱动力,使多输入多输出(MIMO)控制系统转化为6个独立单输入单输出(SISO)控制系统,实现微动台解耦控制。为同时兼顾系统的动态响应以及稳态响应,基于最小时间加权误差绝对值积分(ITAE)准则进行位置环PID控制器以及相位超前-滞后控制器设计,通过仿真实验验证解耦模型的有效性并对比控制器性能。再次,设计基于一阶指数趋近律滑模控制器提升对于扰动抑制能力,并针对传统滑模控制存在的抖振问题,采用边界层法进行优化。为从原理上消除抖振影响,提升系统响应速度以及鲁棒性,设计基于Super-Twisting算法的二阶滑模控制器,进行稳定性分析,通过仿真对比验证Super-Twisting算法在控制精度与抖振抑制方面的优越性。并设计基于Super-Twisting算法的二阶滑模扰动观测器,对各自由度集中扰动进行观测与前馈补偿,通过加载仿真验证了观测器对于负载扰动、集中串扰观测的准确性与扰动抑制能力。最后,基于RT-LAB半实物仿真控制器搭建实验测试平台。通过实验,进一步证明了所设计解耦算法以及解算点姿态解算的正确性;对比PID控制器与基于SuperTwisting算法的二阶滑模控制器控制效果,实验证明二阶滑模控制器具有更高的控制精度与鲁棒性,可以实现不同轨迹跟踪的六自由度闭环实验,具有较高的跟踪精度以及定位精度。
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