直线电机系统分析与H_∞鲁棒控制

论文摘要

相对于传统旋转电机系统,直线电机驱动系统可以提供更高的速度和加速度能力,因此在半导体设备邦定机中应用已经很广泛。但是,在高加速度状态下工作的直线电机系统受到各种系统不确定性的影响,而且直线电机本身的推力波动也会影响最终的定位精度。本文分析了直线电机的力涌现象和系统的不确定性,把力涌现象分为随位置变化的力涌和根位置无关的力涌。本文对基于位置的力涌进行了检测和补偿,而对于跟位置无关的力涌波动,则需要用鲁棒控制器进行抑制。之后,对含有力涌补偿回路的系统进行辨识,由于直线电机系统不会由于信号的冲击而受到破坏,所以在辨识过程中采用伪随机序列作为理想的辨识输入信号,得到5阶系统模型来显现系统不确定因素。根据此高阶模型,使用H∞合成优化技术设计了能够容忍各种机械不确定性和电机制造不确定性的内环速度环鲁棒控制器,外环位置环控制器则采用PI控制器+前馈的方案来保证定位精度。仿真和实验结果表明该系统可以获得高速高精度的响应性能,从而满足半导体设备的需要。在结论中,总结了本人的一些关于直线电机应用的经验。基于目前的工作,还有很多事情比如摩擦补偿还需进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 BACKGROUND
• 1.1.1 Linear motor
• 1.1.2 Force ripple and motion control of linear motor
• 1.2 SIGNIFICANCE
• 1.3 RESEARCH CONTENT
• 1.4 SOURCE OF THE RESEARCH
• CHAPTER 2 SYSTEM CONFIGURATION
• 2.1 ACTUATOR
• 2.2 POWER AMPLIFIER
• 2.2.1 Danaher SERVOSTAR driver
• 2.2.2 Elmo Cornet driver
• CHAPTER 3 FORCE RIPPLE DETECTION AND COMPENSATION
• 3.1 FORCE RIPPLE DETECTING OF THE SMART MOTION LINEAR MOTOR
• 3.2 CONCLUSION
• CHAPTER 4 SYSTEM MODELING AND IDENTIFICATION
• 4.1 INTRODUCTION
• 4.2 THE METHOD OF SYSTEM IDENTIFICATION
• 4.2.1 The procedure of system identification.
• 4.2.2 System identification toolbox
• 4.2.3 Selection of model structure
• 4.3 EXPERIMENT DESIGN OF SYSTEM IDENTIFICATION
• 4.3.1 Multi-Sins signals
• 4.3.2 Chirp Signals or Swept Sinusoids
• 4.3.3 Pseudo-Random Binary Signal
• 4.3.4 Choice of the input signal
• 4.4 SYSTEM IDENTIFICATION AND MODEL VALIDATION OF LINEAR MOTOR
• 4.4.1 System identification
• 4.4.2 Validation of the model
• 4.5 CONCLUSION
• CHAPTER 5 CONTROLLER DESIGN
• 5.1 ROBUST CONTROL THEORY
• 5.1.1 Introduction of robust control
• 5.1.2 The H∞controller
• 5.1.3 Singular-Value Loop-Shaping: Mixed-Sensitivity Approach
• 5.2 THE MAJOR UNCERTAINTY AND DISTURBANCE OF THE SYSTEM
• 5.2.1 Uncertainties in the motor
• 5.2.2 Uncertainty of the mechanism
• 5.3 CONTROLLER DESIGN OF THE LINEAR MOTOR SYSTEM.
• 5.3.1 The robust velocity loop controller design
• 5.3.2 The PI position controller design
• 5.3.3 Simulation and experiment
• 5.4 CONCLUSION
• CHAPTER 6 CONCLUSION
• 6.1 CONCLUSION OF THE THESIS
• 6.2 FUTURE WORK
• REFERENCE