双轴直驱平台精密轮廓控制的新方法，加工精度高
武汉加油
风雨同行 共克时艰
为使双轴直驱平台在加工高进给率或存在尖角的轮廓时能实现高精度轮廓控制，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员原浩、赵希梅，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文，提出一种动态轮廓误差估计和互补滑模控制器相结合的精密轮廓控制方案。该控制方法能够明显地提高系统的控制性能，减小系统的轮廓误差，进而改善双轴直驱平台的伺服系统轮廓加工精度。
目前，双轴直驱平台伺服系统已经广泛用于工业制造中，如半导体微加工、微电子制造设备、光学指向装置和印制电路板制造等高速自动化生产过程。双轴直驱平台伺服系统采用两台永磁直线同步电动机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）驱动，当参考轮廓的进给率增加或者参考轮廓存在尖角时，受到不确定性因素影响的双轴直驱平台伺服系统的性能将会恶化，轮廓精度变低。因此，必须采取有效的控制策略，以实现双轴直驱平台伺服系统高速度、高精度的控制要求。
为提高系统的轮廓精度，许多研究通过单轴的跟踪控制来减小轮廓误差。然而此类方法不能完全解决各轴动态不匹配等因素的影响，保证单轴良好的跟踪性并不能提高系统的轮廓精度。为实现各轴间协调控制，交叉耦合控制（Cross-Coupled Control, CCC）被广泛应用于多轴运动控制领域。轮廓误差估计（Contouring Error Estimation, CEE）是CCC中的关键部分，对轮廓误差进行分析和准确估计至关重要。
有学者提出基于轮廓误差传递函数的鲁棒补偿器变增益CCC方法，采用静态CEE将曲线的正切估计近似为参考轮廓。然而这种方法仅适用于加工低速线性和圆形轮廓。有学者提出了一种基于等效误差法的XY平台二阶滑模轮廓控制方案。但是该轮廓误差模型与静态CEE类似，在加工高进给率和尖角轮廓时系统的轮廓精度变低，而且滑模控制存在的抖振并未完全削弱。
为此，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员原浩、赵希梅，采用牛顿极值搜索算法的动态CEE方法。动态CEE收敛速度更快，并且在每个采样点都可以重建轮廓误差参数的梯度向量与Hessian矩阵，以实现高精度轮廓控制。对轮廓误差进行精确估计后，设计了控制器对含有不确定性的双轴直驱平台进行控制。
图2 基于动态CEE和CSMC的双轴直驱平台伺服系统框图
互补滑模控制器（Complementary Sliding Mode Controller, CSMC）具有响应快，对系统参数变化和外部扰动不敏感等强鲁棒性优点，广泛应用于非线性控制系统。为了削弱抖振，CSMC的切换函数选用饱和函数，并且CSMC采用两个滑模面相结合的方式，提高了位置跟踪精度和系统的动态响应。
研究者针对双轴直驱平台伺服系统的轮廓精度控制问题，考虑到高进给率和尖角轮廓使得伺服系统的轮廓精度变低，提出了一种基于动态CEE和CSMC相结合的精密轮廓控制方案。动态CEE可以对高进给率和存在尖角的轮廓进行高精度的轮廓误差估计，且CSMC能够解决伺服系统存在的不确定性问题，削弱了抖振现象，提高了系统的轮廓精度。
图4 基于DSP的双轴直驱平台伺服系统硬件结构
实验结果表明，对于低进给率圆形轮廓，轮廓误差保持在0.2～1.3μm；对于高进给率圆形轮廓，轮廓误差保持在0.3～2.89μm；对于星形轮廓，在尖角处的最大轮廓误差为2.9μm。因此，所采用的控制方案有效可行，满足系统的精度需求，具有较高的轮廓精度，实现了高精密轮廓控制。