隨著先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展，超精密機(jī)床技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、光電系統(tǒng)和檢測(cè)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。作為高檔數(shù)控機(jī)床的代表，精密直驅(qū)龍門(mén)定位平臺(tái)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。龍門(mén)定位平臺(tái)由兩臺(tái)完全相同的永磁直線同步電機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）組成，是一種典型的多軸協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這就要求在同一給定信號(hào)下，兩臺(tái)PMLSM需保持速度和位置的一致性。

然而在實(shí)際加工過(guò)程中，兩臺(tái)PMLSM間存在的機(jī)械耦合和運(yùn)行過(guò)程中的不確定性會(huì)使龍門(mén)定位平臺(tái)不能實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)給，從而影響加工精度。因此，減小雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差和同步誤差，進(jìn)一步提高系統(tǒng)加工精度，是目前高精度龍門(mén)定位平臺(tái)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

為解決雙直線電機(jī)存在的同步誤差問(wèn)題，首先要保證單軸PMLSM的位置跟蹤精度，降低系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化、外部擾動(dòng)和摩擦力等不確定性的敏感度。滑模控制器（Sliding Mode Controller, SMC）是一種特殊的不連續(xù)的非線性控制方法，能使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。但當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)到達(dá)滑模面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高頻小幅度抖振。

• 有學(xué)者將全階SMC應(yīng)用于高階非線性系統(tǒng)中，削弱了抖振現(xiàn)象，但控制器設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行多次求導(dǎo)，并在計(jì)算過(guò)程中引入赫爾維茨多項(xiàng)式。
• 有學(xué)者采用非奇異快速終端SMC，具有較高的收斂速度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，但當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)離平衡點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，動(dòng)態(tài)性能變差。

為解決SMC中存在的抖振問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)互補(bǔ)滑模控制器（Complementary Sliding Mode Controller, CSMC）提高系統(tǒng)性能，CSMC在SMC的基礎(chǔ)上，將廣義滑模面和互補(bǔ)滑模面相結(jié)合，并通過(guò)Lyapunov穩(wěn)定理論證明了該方法的有效性，提高了系統(tǒng)的魯棒性和跟蹤性。

在保證單軸PMLSM跟蹤精度的同時(shí)，需減小雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的同步誤差。目前，龍門(mén)平臺(tái)伺服系統(tǒng)通常有串聯(lián)和并聯(lián)兩種同步控制策略。串聯(lián)同步控制將位置信號(hào)送給主電機(jī)，再將主電機(jī)的輸出信號(hào)作為從電機(jī)的輸入信號(hào)進(jìn)行控制。

有學(xué)者采用模糊PID主從式方法進(jìn)行多電機(jī)控制，解決了主從控制受到外界干擾時(shí)電機(jī)間影響較大的問(wèn)題，但設(shè)計(jì)模糊PID控制器過(guò)于依賴經(jīng)驗(yàn)。并聯(lián)同步控制對(duì)多臺(tái)單機(jī)輸入相同信號(hào)，每臺(tái)電機(jī)依靠獨(dú)立的控制系統(tǒng)完成控制目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)給。

交叉耦合控制屬于一種特殊的并聯(lián)同步控制，文獻(xiàn)[15]采用魯棒自適應(yīng)交叉耦合同步控制方法，保證了系統(tǒng)的同步跟蹤精度。但交叉耦合控制只適用于線性輪廓誤差，對(duì)于具有時(shí)變性質(zhì)的軌跡無(wú)法保證穩(wěn)定性。

因此，本文設(shè)計(jì)Sugeno型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Sugeno type Fuzzy Neural Network,SFNN）同步補(bǔ)償器，SFNN同步補(bǔ)償器可根據(jù)誤差模型對(duì)各軸間同步誤差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，并通過(guò)反向傳播算法實(shí)時(shí)調(diào)整各軸補(bǔ)償參數(shù)，從而達(dá)到減小系統(tǒng)同步誤差的目的。

本文提出SFNN同步補(bǔ)償器和CSMC相結(jié)合的控制方法減小雙直線電機(jī)間存在的跟蹤誤差和同步誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效提高系統(tǒng)的同步控制精度，滿足龍門(mén)定位平臺(tái)高精密加工要求。

圖1 基于SFNN同步補(bǔ)償器和CSMC的雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)框圖

圖3 基于DSP的雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

總結(jié)

為滿足龍門(mén)定位平臺(tái)高精密的加工要求，減小雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的位置跟蹤誤差和同步誤差，確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)給，提出一種基于SFNN同步補(bǔ)償器和CSMC相結(jié)合的雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)控制方法。

利用CSMC解決傳統(tǒng)SMC中存在的抖振問(wèn)題，提高系統(tǒng)跟蹤精度，保證單軸PMLSM的跟蹤性和魯棒性。同時(shí)，設(shè)計(jì)SFNN同步補(bǔ)償器，解決雙直線電機(jī)的耦合問(wèn)題，減小系統(tǒng)同步誤差，保證雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的同步控制精度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效可行，能夠明顯減小系統(tǒng)跟蹤誤差和同步誤差，滿足龍門(mén)定位平臺(tái)高精密的加工需求。