一种电机摆臂高频往复旋转运动的控制方法

(一)技术领域

本发明属于无刷直流电机控制技术领域，具体涉及一种电机摆臂高频往复旋转运动的控制方法。

(二)背景技术

存在固晶机等用于IC芯片后封装工艺中的机器设备，该设备利用高速、高响应电机和旋转摆臂来实现整个封装工艺流程。由于摆臂要在极短时间内不停地进行高频率、高加速度、高精度的往复旋转运动，机械抖振问题以及定位误差问题随之而生，这涉及到硬件材料、机械结构、运动控制等研究领域。

从运动控制的研究领域来看，最常见的电机控制方式为PID控制，但传统PID控制在系统响应速度中的表现不够理想，难以提高电机的工作效率，而超螺旋滑膜控制(STSMC)响应速度高、对外部扰动不敏感，且控制结构的设计与实现较为简单，适用于工作效率要求高的应用场合，但是STSMC存在系统输出抖动的问题，不利于具有高精度要求的工作场合。

(三)发明内容

本发明提出了一种电机摆臂高频往复旋转运动的控制方法，旨在解决由STSMC产生的系统输出抖动现象，并提高电机的工作效率。

本发明提出了一种电机摆臂高频往复旋转运动的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1.根据无刷直流电机的数学模型构建电机闭环控制系统；

S2.构建基于非线性增益的高速超螺旋滑膜控制器(HSTNGSMC)；

S3.根据电机摆臂的固有频率和阻尼系数构建零振荡(ZV)输入整形器；

S4.结合所述无刷直流电机的电机转子位置误差，根据所述HSTNGSMC和ZV输入整形器控制电机摆臂运动。

进一步地，步骤S1中所述无刷直流电机的系统模型为：

其中，U

进一步地，步骤S2中所述HSTNGSMC为：

其中，a和b为可调常数，函数φ

其中，γ为可调常数，s为滑模面，v

进一步地，本发明搭建了三相无刷直流电机的控制系统模型，包含无刷直流电机本体、电机转子位置检测器、电机转子转速检测器、位置控制器、速度控制器、电机驱动器，所述电机转子位置检测器用于反馈电机转子位置信息给位置控制器，所述电机转子转速检测器用于反馈电机转子转速信息给速度控制器，所述位置控制器输出信号至所述速度控制器，所述速度控制器输出信号至所述电机驱动器，所述电机驱动器用于驱动无刷直流电机本体工作，所述位置控制器用于实现权利要求1所述的方法步骤。

进一步地，本发明搭建了电机旋转摆臂动力学模型，所述无刷直流电机本体输出信号至步骤S3所述ZV输入整形器，所述ZV输入整形器输出信号至所述电机旋转摆臂动力学模型。

进一步地，所述ZV输入整形器为：

其中，函数A

其中，ζ为所述电机摆臂的阻尼系数，ω

本发明的有益效果为：

本发明设计了一种基于非线性增益的高速超螺旋滑膜控制器(HSTNGSMC)，所述滑膜面和所述状态变量基于电机转子位置误差信息设计，与传统PID控制和传统STSMC相比，本发明设计的控制器响应速度更高、系统输出抖动幅度更低，且对外部扰动不敏感。本发明基于电机摆臂的阻尼系数和固有频率设计了ZV输入整形器，由HSTNGSMC输出的信号经过ZV输入整形器整定后输出至无刷直流电机，再通过电机控制摆臂工作，能够极大地抑制电机摆臂急停后产生的残余振荡，并提高电机摆臂停转后的定位精度，进而提高电机的工作效率。

(四)附图说明

图1是本发明所述三相无刷直流电机控制系统原理框图；

图2是本发明所述电机摆臂控制系统原理框图；

图3是本发明所述基于非线性增益的高速超螺旋滑膜控制(HSTNGSMC)系统框图；

图4是本发明所述电机摆臂旋转示意图；

图5是系统的轨迹跟踪误差曲线图；

图6是电机摆臂的位移曲线图。

(五)具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，所述三相无刷直流电机控制系统，包括电机控制系统、零振荡输入整形器、三相无刷直流电机数学模型、电机摆臂模型。

进一步地，如图2所示，所述三相无刷直流电机控制系统包括电机转子位置检测器、电机转子转速检测器、位置控制器、速度控制器、电机驱动器，其中，位置控制器由HSTNGSMC组成，速度控制器由传统PID控制器组成。电机驱动器由PWM发生器和三相电压源逆变器组成。

所述三相无刷直流电机数学模型为：

其中，U

所述HSTNGSMC为：

其中，s为滑模面，a和b为可调常数，v

其中，γ为可调常数，sign(s)为符号函数。

由图3可知，所述HSTNGSMC的滑模面由无刷直流电机的电机转子位置误差构成，具体的，所述滑模面为：

s＝e

其中，θ为电机转子实时角位移，θ

进一步地，考虑到所述HSTNGSMC可能存在稳定性问题，现用李雅普诺夫理论证明控制器的稳定性，令：

则得到：

定义二次型李雅普诺夫函数为：

V(x

其中，由二次型函数定义，易证V(x

其中，定义矩阵A中a和b为正常数，则矩阵A的特征根中都含有负实部，容易证明矩阵A是Hurwitz的，且对于任意一个实对称正定矩阵，定能满足下式：

A

进一步地，所述二次型李雅普诺夫函数为：

其中，

其中，λ

进一步地，由V(x

其中，对

因为1≤γ，故2|x

进一步地，得到：

其中：

故当ξ

进一步地，所述ZV输入整形器被设置为：

其中，函数A

其中，ζ和ω

进一步地，如图4所示，设置电机摆臂每周期顺时针旋转一次后，再逆时针旋转一次，其中，单次旋转角度为180°，耗时100ms，停止旋转后等待摆臂稳定的时间为40ms，故单周期摆臂的工作时间为280ms。

将本发明提出的HSTNGSMC方法，与传统PID控制方法、传统STSMC方法进行比对，得到在三种控制方法控制下的三相无刷直流电机运行状态，其中，得到电机转子旋转角度位置实际值与给定值之间的误差波动情况，如图5所示，在电机摆臂旋转180°急停后，可知，在本发明提出的控制方法控制下的电机转子旋转角度位置实际值与给定值之间的误差最小，轨迹跟踪性能最佳，且系统输出优先达到稳态。

将本发明提出的HSTNGSMC方法，与传统PID控制方法、传统STSMC方法分别与ZV输入整形器结合，进行比对，得到在三种控制方法控制下电机摆臂的位移变化情况，如图6所示，在电机摆臂旋转180°急停后，易知，将本发明提出的HSTNGSMC方法与ZV输入整形器结合后，摆臂的残余振动幅度得到了极大抑制，定位不准的问题得到了极大改善，稳态响应速度依旧领先，与传统STSMC和传统PID控制相比，分别提高了约16％、12％。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。