基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計

陳 婧

(青島工程職業(yè)學(xué)院，青島 266000)

0 引 言

機(jī)電系統(tǒng)是應(yīng)用在各類機(jī)械設(shè)備當(dāng)中獨(dú)立的智能系統(tǒng)，其主要組成結(jié)構(gòu)包括觀測器、處理器、微能源等。在對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，會涉及物理、化學(xué)、生物、電子工程等眾多領(lǐng)域，因此是一項復(fù)雜程度較高的系統(tǒng)研發(fā)工藝，當(dāng)前機(jī)電系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)和軍事等方面應(yīng)用廣泛[1]。傳統(tǒng)直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)采用的是單片機(jī)結(jié)構(gòu)，在其實際應(yīng)用過程中能夠有效實現(xiàn)對線伺服電機(jī)的控制，對于其運(yùn)行過程中的位移測量通常會采用渦流傳感器裝置。但由于伺服電機(jī)在近幾年來得到不斷地優(yōu)化和創(chuàng)新，傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的硬件條件和軟件條件，都已經(jīng)無法滿足伺服電機(jī)的正常運(yùn)行需要。針對這一問題，本文引入一種全新的非線性狀態(tài)觀測器，該結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中是利用非線性測量的方式，實現(xiàn)對非線性機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的估計[2]。這種結(jié)構(gòu)目前在機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用并未涉及，因此，本文針對當(dāng)前傳統(tǒng)直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在的問題，結(jié)合非線性狀態(tài)觀測器對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 非線性狀態(tài)觀測器選型

在對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮到其實際應(yīng)用需要，本文引入非線性狀態(tài)觀測器，并將其作為該系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)，完成對直線伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實時觀測。非線性狀態(tài)觀測器具備較強(qiáng)的時效性，并且將其引入到機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中時編程方式更加簡便，對于各類設(shè)備的控制精度要求較高，因此將非線性狀態(tài)觀測器引入到本文機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中，能夠有效提高本文機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用性能。非線性狀態(tài)觀測器在運(yùn)行的過程中滿足如圖1所示的函數(shù)變化情況。

圖1中fal表示為非線性狀態(tài)觀測器在觀測過程中遵循的非線性函數(shù)；r表示為被控制對象，即本文中的直線伺服電機(jī)在運(yùn)行過程中的狀態(tài)變量。這種觀測器對被控對象的觀測能夠有效避免外界未知因素的干擾，因此保證觀測結(jié)果準(zhǔn)確性更高。本文選擇MSMD952P1V45型號非線性狀態(tài)觀測器，該型號非線性狀態(tài)觀測器得到ISO9001-2000認(rèn)可，運(yùn)行過程中其額定功率為650 W，額定電壓為220 V，外形尺寸為125×80×60 mm，測量精度為0.01%。圖2為基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 非線性狀態(tài)觀測器運(yùn)行函數(shù)曲線圖

圖2 機(jī)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2中可以看出，通過將MSMD952P1V45型號非線性狀態(tài)觀測器接入到本文機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中，可以省去A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接對需要測定的直線伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀測，不需要對其產(chǎn)生的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此有效降低機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，并提高觀測器的檢測速度。

1.2 伺服運(yùn)動控制卡選型

完成對上述非線性狀態(tài)觀測器的選擇后，為了保證機(jī)電系統(tǒng)的控制功能不受外界環(huán)境中各類因素的干擾，還需要對伺服運(yùn)動控制卡結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在直線伺服電機(jī)當(dāng)中，伺服驅(qū)動裝置與運(yùn)動控制卡之間的連接方式，需要根據(jù)不同的控制方案進(jìn)行調(diào)整，主要包括速度控制、位置控制以及轉(zhuǎn)矩控制[3]。本文在對直線伺服電機(jī)進(jìn)行控制時，主要是針對其位置進(jìn)行控制。因此，在選擇伺服運(yùn)動控制卡時，需要將CW脈沖、CCW脈沖以及伺服反饋等進(jìn)行連接。圖3為伺服運(yùn)動控制卡工作原理示意圖。

圖3 伺服運(yùn)動控制卡工作原理示意圖

在對伺服運(yùn)動控制卡型號進(jìn)行選擇時，根據(jù)圖3中伺服運(yùn)動控制卡工作原理，本文選擇DMC-165-265型號伺服運(yùn)動控制卡。該型號伺服運(yùn)動控制卡為半封裝的微型機(jī)電系統(tǒng)專用控制卡，具備CAT總線控制，可以實現(xiàn)對1～32軸直線伺服和步進(jìn)。DMC-165-265型號伺服運(yùn)動控制卡在應(yīng)用中能夠支持工業(yè)機(jī)器人回原點(diǎn)、單軸定長變速變位、連續(xù)運(yùn)動、PVT運(yùn)動和插補(bǔ)運(yùn)動等功能。其具備的輔助功能還能夠?qū)崿F(xiàn)對IO計數(shù)、高速鎖存、位置比較等。根據(jù)直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)實際需要，對DMC-165-265型號伺服運(yùn)動控制卡上的引腳進(jìn)行編號為#001～#032，其中#001～#009引腳與雙絞線位置反饋信號連接；#010～#018引腳與位置指令信號連接；#019～#032引腳與使能信號連接。分別是利用指令集的形式和利用應(yīng)用程序編程接口的形式，通過信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼將指令實時傳輸?shù)紻MC-165-265型號伺服運(yùn)動控制卡當(dāng)中，通過控制卡的指令控制實現(xiàn)對直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行控制。

2 基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 直線伺服電機(jī)運(yùn)行控制流程設(shè)計

直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)在控制運(yùn)動模式下，主要是依靠數(shù)控功能完成對各類控制指令的運(yùn)行。直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)主要是依靠于上位機(jī)對控制信號進(jìn)行讀取后，將相應(yīng)的控制指令信號傳遞給下位機(jī)當(dāng)中，通過下位機(jī)對其進(jìn)行識別，再經(jīng)過下位機(jī)自動執(zhí)行相應(yīng)的動作指令完成直線伺服電機(jī)的運(yùn)行。

對直線伺服電機(jī)系統(tǒng)的主要運(yùn)行功能進(jìn)行分析，分析過程中，可從四個方面展開，分別為：系統(tǒng)的初始化設(shè)計功能、系統(tǒng)對指定代碼的讀取與代碼翻譯功能、指令傳輸功能(由前端向控制端傳輸)、控制端完成指令功能。綜合上述分析，提出系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，具備的優(yōu)勢如下：可實現(xiàn)對上機(jī)位指令的有效調(diào)控，可滿足對多項初始化功能指令的在線發(fā)送等。而在此過程中，上機(jī)位指令行為的實施主要由終端控制器協(xié)調(diào)，聯(lián)合多種指令功能，達(dá)成對實時任務(wù)的控制。在本文機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中引入了非線性狀態(tài)觀測器，能夠通過該裝置在第一時間獲取到直線伺服電機(jī)以及機(jī)電系統(tǒng)的實際運(yùn)行狀態(tài)，從而在出現(xiàn)故障問題或運(yùn)行異常時能夠在第一時間做出相應(yīng)的反饋，防止問題進(jìn)一步擴(kuò)大。圖4為直線伺服電機(jī)運(yùn)行控制圖。

圖4 直線伺服電機(jī)運(yùn)行控制圖

從圖4可以看出，在實際直線伺服電機(jī)運(yùn)行過程中，機(jī)電系統(tǒng)采取讀取數(shù)控代碼并執(zhí)行一次相應(yīng)的控制動作的方法完成對直線伺服電機(jī)的控制。圖4中讀取數(shù)控代碼的流程如圖5所示。

圖5 讀取數(shù)控代碼流程圖

按照圖5中的流程，在完成對數(shù)控代碼的讀取后，對代碼進(jìn)行譯碼工作，并根據(jù)譯碼后的指令完成相應(yīng)的工位動作，以此實現(xiàn)對直線伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及動作的控制。

2.2 直線伺服電機(jī)控制信號擬合

為了進(jìn)一步實現(xiàn)對本文基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用性能優(yōu)化，結(jié)合大數(shù)據(jù)聚類技術(shù)，對直線伺服機(jī)電控制數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化聚類，并實現(xiàn)對其控制信號的擬合。首先，構(gòu)建本文機(jī)電系統(tǒng)中的調(diào)頻控傳動控制信號分布式結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合非線性狀態(tài)觀測器的模糊控制概念，對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行傳動控制，設(shè)置機(jī)電系統(tǒng)海量控制數(shù)據(jù)有限數(shù)據(jù)集為K，則K的表達(dá)式應(yīng)為：K= {k1，k2，k3，…，kn}，其中K的取值為：K?R。K表示為直線伺服電機(jī)有限控制數(shù)據(jù)集合；R表示為大數(shù)據(jù)聚類矢量空間。當(dāng)K的聚類信道擬合因子為零時，即γ(k)=0時，則可以滿足如下公式：

(1)

式中，γ(k)表示為聚類信道擬合因子；m表示為在直線伺服電機(jī)運(yùn)行過程中總共發(fā)生迭代的次數(shù)。結(jié)合模糊控制和工業(yè)機(jī)器人控制的擬合思想，將本文基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)中的控制數(shù)據(jù)按照公式(2)進(jìn)行交直線伺服電機(jī)控制信號擬合處理：

X(e,f)=∑[(ei,fi)-(ei+e′,fi+f′)]2

(2)

式中，X(e,f)表示為控制數(shù)據(jù)特征點(diǎn)函數(shù)；e′、f′分別表示為直線伺服電機(jī)上某一點(diǎn)橫軸方向特征位移和縱軸方向特征位移；(ei,fi)表示為直線伺服電機(jī)在運(yùn)行過程中的特征位移。根據(jù)公式(2)進(jìn)行計算，完成對四輥可逆軋機(jī)交變調(diào)頻控傳動控制信號擬合。完成對直線伺服電機(jī)控制信號擬合后，將其帶入到伺服運(yùn)動控制卡當(dāng)中，通過伺服運(yùn)動控制卡發(fā)出的相關(guān)控制指令，實現(xiàn)對直線伺服電機(jī)的運(yùn)行控制。

3 對比實驗

本文從硬件角度和軟件角度分別對基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的各個組成部分進(jìn)行設(shè)計，為進(jìn)一步驗證該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的效果，將其與傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于相同環(huán)境當(dāng)中，對比兩種系統(tǒng)的實際運(yùn)行情況，完成如下對比實驗：

實驗?zāi)康臑闄z驗兩種機(jī)電系統(tǒng)在完成指定動作時消耗的時間， 首先在實驗開始前設(shè)置規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時間，為了保證實驗結(jié)果的客觀性，兩種機(jī)電系統(tǒng)在其他影響因素均相同的情況下，完成各類工位動作，并將每個工位動作完成的時間進(jìn)行記錄，繪制成如圖6所示的實驗結(jié)果對比圖。

圖6 兩種機(jī)電系統(tǒng)實驗結(jié)果對比圖

從圖6中三條曲線可以看出，在兩種系統(tǒng)同時對六個不同工位動作下，完成運(yùn)行后的結(jié)果，本文系統(tǒng)的曲線變化情況更加接近于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時間的變化。因此，通過對比實驗?zāi)軌蜃C明，本文提出的基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)能夠保證直線伺服電機(jī)進(jìn)行更加精準(zhǔn)地運(yùn)行，并提高系統(tǒng)整體的實時性，使整個系統(tǒng)運(yùn)行精細(xì)化程度更高。

4 結(jié)束語

通過開展基于非線性狀態(tài)觀測器的直線伺服電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計研究，實現(xiàn)對機(jī)電系統(tǒng)從硬件到軟件的優(yōu)化，將優(yōu)化后的機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用于實際能夠使直線伺服電機(jī)具備更快的響應(yīng)速度，更高的精度，在實際應(yīng)用中值得廣泛應(yīng)用。