以浮点运算数位讯号处理器为基础之智慧型控制双轴运动控制系统

國立中央大學電機控制實驗室以浮點運算數位訊號處理器為基礎之智慧型控制雙軸運動控制系統Two-AxisMotionControlSystemBasedonFloating-PointDigitalSignalProcessorUsingIntelligentControl國立中央大學電機工程學系林法正教授國立中央大學電機控制實驗室2一、緒論二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統四、利用放射狀基底函數網路之智慧型步階迴歸滑動模態控制系統五、強健性Sugeno型適應性模糊類神經網路步階迴歸控制系統六、結論與未來研究發展內容國立中央大學電機控制實驗室3一、緒論(1)•永磁線型同步馬達的優點：研究動機與目的•永磁線型同步馬達的缺點：長距離的高速移動及高精密度高可靠性和堅硬的結構、高推力邊界效應相較線型感應馬達易於控制，適合於高性能伺服的應用場合易受漣波力、參數變化、外來負載干擾和摩擦力所影響邊界效應及雙軸系統常見的交叉耦合干擾亦使得推力的控制更加困難•如何設計補償這些等效作用力的干擾同時達到準確的輪廓軌跡追隨，並且快速且直接地施加在永磁線型同步馬達驅動系統上，通常必需配合複雜的控制設計。國立中央大學電機控制實驗室4一、緒論(2)•浮點運算數位訊號處理器(DSP)的特點：研究動機與目的•STC-32單板控制電腦：具常見數位訊號處理器的優點精確的浮點運算可執行複雜的控制運算以TMS320C32數位訊號處理器為處理核心內建PIO、ADCs、DACs、EncoderInterface減少了利用桌上型電腦所完成的數位控制器的體積•智慧型控制系統設計：模糊類神經網路、放射狀基底函數網路、Sugeno型適應性模糊類神經網路、可變結構控制與非線性控制理論國立中央大學電機控制實驗室5二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(1)X-Y平台雙軸運動控制系統之外觀圖(圖2.1)國立中央大學電機控制實驗室6二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(2)X-Y平台雙軸運動系統•由兩台上銀科技公司所生產的鐵心式LMS37單軸永磁線型同步馬達所組成，X軸的定子是直接耦合在Y軸的動子。•其一次側為動子(Mover)，是由一短的移動”一次側”線圈，包含螺旋狀之電樞線圈與霍爾元件感測器所組成。•一長的固定”二次側”線圈，包含由釹鐵硼所組成的永磁、線型滑軌與線型光學尺所組成。•驅動器為一般控制永磁同步馬達之磁場導向電流控制的脈寬調變電壓源三相反流器。•其規格為額定電壓220伏特(V)、額定連續電流5.0安培(A)、連續推力475牛頓(N)，永磁極距(PolePitch)為3.2公分。國立中央大學電機控制實驗室7二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(3)單軸永磁線型同步馬達之工作原理•單軸永磁線型同步馬達的相電壓方程式以矩陣方式表示如下：abciabcisiabcipλirv(2.1)(2.8)(2.9)•假設三相平衡Y接，利用d-q軸座標轉換後的電壓方程式如下：diiqiqisiqipirvqiididisidipirv•利用功率平衡的關係，則極對的永磁線型同步馬達的推力方程式：pinqidiqidimiqiipieiiiLLinF)(23(2.25)(2.26)miqiipieiinF23•以磁場導向為基礎加上均勻氣隙的假設，則推力方程式可簡化如下：國立中央大學電機控制實驗室8二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(4)(2.29)•馬達動子之動態方程式亦可表示如下：)(vfFvDpvMFiLiiiiieiiviivvCiSiiCiivKveFFvFvfsii)(sgn)()(sgn)(2)/((2.30)•考慮庫倫摩擦力、黏滯摩擦力和Stribeck影響，則摩擦力可表示如下：•在履行磁場導向控制後，單軸永磁線型同步馬達驅動系統可表示如下：*qifieiiKF(2.27))2(/3iimpifinK(2.28)國立中央大學電機控制實驗室9二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(5)磁場導向控制之單軸馬達驅動系統之架構圖(圖2.2)+220V60Hz整流器LC脈寬調變電壓型反流器電路位置控制器+-mididmiv-iv*qii*aii*bii*ciibiTciTaiTaiibii0*diieicoseisiniiiid,W,V,U單軸永磁線型同步馬達線型光學尺及霍爾元件感測器三角波比較電流控制電路座標轉換電路限制器正弦/餘弦產生電路速度控制器數位濾波及微分電路國立中央大學電機控制實驗室10二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(6)單軸馬達驅動系統電路馬達驅動系統電路方塊圖(圖2.3)推動智慧型功率模組之觸發信號脈寬調變信號智慧型功率模組內部送出的故障信號隔離電路送出的故障信號保護電路送出的保護信號三相電流命令馬達實際電流C+-L整流器220V60Hz智慧型功率模組FoPS隔離電路及互鎖電路*ai*bi*ci三角波比較電流控制電路電流感測電路及保護電路單軸永磁線型同步馬達UFo,VFoWFo,EoVUp,…,VncbiaiaibicibTaTcT國立中央大學電機控制實驗室11二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(7)STC-32單板控制電腦外觀圖(圖2.5)圖2.5TITMS320C32、50MHz浮點32位元DSPCPU2通道ADC、2通道DAC、2通道編碼器輸入24位元數位輸出入埠、可接16x2LCD顯示器及4x4鍵盤可外加子板擴充系統記憶體及輸出輸入功能可接EPROM或XDS-510-MPSD偵錯器國立中央大學電機控制實驗室12二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(8)STC-4AD4DA擴充模組外觀圖(圖2.7)圖2.7四通道ADC、12位元解析度、250KHz取樣頻率、+10V/-10V輸入•因為實作需要，需要增加DAC的通道數量，利用預留的一組擴充埠購買一塊專用的擴充模組以符合實作需求。四通道DAC、12位元解析度、100KHz取樣頻率、+10V/-10V輸入24位元PIO，TTL準位，雙向可程式控制國立中央大學電機控制實驗室13以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(圖2.8)二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(9)國立中央大學電機控制實驗室14二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(10)X-Y平台雙軸運動控制系統之軟體發展流程(圖2.16)國立中央大學電機控制實驗室15二、以浮點運算DSP為基礎之磁場導向控制X-Y平台雙軸運動控制系統(11)軌跡規劃(圖2.18)(a)圓形軌跡Δii1ΔXY)(00Y,X)(iiY,X)(1i1iY,XRabcbcdde)(y1x1O,O)(y2x2O,O)(y3x3O,O)(y4x4O,OYX(b)四瓣葉形軌跡國立中央大學電機控制實驗室16控制系統架構圖(圖3.1)輔助控制器(3.18))(tUd適應性法則(3.34)~(3.36)強健控制器(3.37)磁場導向控制之單軸永磁線型同步馬達伺服驅動系統順滑面(3.6)dtde模糊類神經網路估測器(3.26)適應性不確定項估測器(3.38)md+-+-+)(tSFNNWˆ)(turU強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統)(ˆtHs,m,θˆˆˆddtdes,m,θˆˆˆ三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統(1)國立中央大學電機控制實驗室17演算法三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統(2)(3.1)•根據(2.27)式與(2.29)式，每一組磁場導向控制之永磁線型同步馬達伺服驅動系統可改寫如下：(3.3)•考慮系統的參數發生變動或是外來干擾、交叉耦合干擾和摩擦力加入系統，則控制系統的動態方程式可改寫如下：)(1)()()(*vfFMtiMKtdMDtdLqf)()()(vfFCtUBtdALppp)()()()(vfFCCtUBBtdAAtdLnnn)()()(tLtUBtdAnn(3.4)•L(t)稱為總集不確定項，定義如下：)()()()(vfFCCtBUtdAtLLn*qifieiiKF)(vfFvDpvMFiLiiiiiei國立中央大學電機控制實驗室18三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統(3)(3.6)•當時，可推導出理想等效控制力如下所示：•為達到控制目的，定義追隨誤差且定義順滑面如下：)()()(tdtdtemtdedtdtS02)()(0)()()(tUtUeqtS(3.10)•當系統的參數受到干擾或是未知的情形下，(3.10)式並不能確保系統的性能同時控制系統的穩定性可會受到破壞。•為了確保包含不確定項在內的系統穩定性，將利用計算轉矩控制的技巧設計強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統。])()(2)()()([)(21tetetLtdAtdBtUnmneq國立中央大學電機控制實驗室19計算轉矩控制設計三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統(4)(3.12)•理想等效控制法則可改寫如下：•利用計算轉矩控制法則來近似理想等效控制法則，假設其設計如下：WtUtSABtSBeqnnn)()()(11)()()()(2)(021tdtLdetetdABWtmnn(3.13))()(tuWtUeq)(tu為輔助控制器，設計成PID控制器，如下所示：(3.14)])()()([)(0tIPSdeKteKteKtu(3.16)•若2SPKK2SIKK;(3.18))(])()(2)([)(02tSKdeteteKtuStS國立中央大學電機控制實驗室20三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統(5)•閉迴路系統可改寫如下：•利用Lyapunov穩定理論和巴巴拉輔助定理(Barbalet’sLemma)可驗證計算轉矩控制的設計是穩定的。)()()()()(111tSKABtSKtSABtSBSnnSnnn(3.19)•定義Lyapunov函數如下：)()(21)(11tSBtStSVn(3.20)•從(3.13)式可知非線性函數包含了系統的參數變化、外來干擾、交叉耦合干擾和摩擦力等不確定項的影響。系統的參數變化很難估測，同時實際系統的外來干擾、交叉耦合干擾和摩擦力的正確值也難以得知，故(3.14)式所示之控制法則亦無法實現在實際應用中。)()()()(2)(021tdtLdetetdABWtmnn)()(tuWtUeq國立中央大學電機控制實驗室21三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統(6)四層之模糊類神經網路(圖3.2)(3.26)ΓΘsmΘr),,,(FNNW規則層對輸出層之可調權重值向量規則層的輸出向量122)(exp)(jRsmrarQ網路的輸入狀態連結權重值矩陣規則層歸屬函數層輸出層輸入層)(te)(te),,,(smΘrFNNWrQμΓΘa國立中央大學電機控制實驗室22三、強健性模糊類神經網路滑動模態控制系統(7)•智慧型控制器是用來學習非線性函數W且定義如下：•設計一計算轉矩控制器如下式來近似非線性函數：(3.24))(ˆ)(tuWtUrFNNUWWˆ