非对称柔性支撑龙门双驱平台的解耦与同步控制

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.456

上海交通大学学报 ›› 2023, Vol. 57 ›› Issue (5): 593-600.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.456

所属专题：《上海交通大学学报》2023年“电子信息与电气工程”专题

非对称柔性支撑龙门双驱平台的解耦与同步控制

位广宇¹^,²^,³, 谷朝臣¹^,²^,³(), 杨舒盛¹^,²^,³, 关新平¹^,²^,³

上海交通大学自动化系；系统控制与信息处理教育部重点实验室；上海工业智能管控工程技术研究中心,上海 200240

收稿日期:2021-11-12 修回日期:2022-01-09 接受日期:2022-01-11 出版日期:2023-05-28 发布日期:2023-06-02
通讯作者: 谷朝臣 E-mail:jacygu@sjtu.edu.cn.
作者简介:位广宇(1997-),硕士生,从事高性能伺服与精密运动控制研究.
基金资助:
上海市科技攻关揭榜挂帅项目(YDZX20213100003021);中国移动-教育部智能制造联合基金(MCM20180703)

Decoupling and Synchronization Control of Asymmetric Flexure-Linked Dual-Drive Gantry Stage

WEI Guangyu¹^,²^,³, GU Chaochen¹^,²^,³(), YANG Shusheng¹^,²^,³, GUAN Xinping¹^,²^,³

Department of Automation; Key Laboratory of System Control and Information Processing of the Ministry of Education; Shanghai Engineering Research Center of Intelligent Control and Management, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Received:2021-11-12 Revised:2022-01-09 Accepted:2022-01-11 Online:2023-05-28 Published:2023-06-02
Contact: GU Chaochen E-mail:jacygu@sjtu.edu.cn.

摘要/Abstract

摘要：

针对采用非对称柔性支撑结构的龙门双驱运动平台,提出基于模型补偿扩张状态观测器的解耦与同步控制策略.考虑柔性支撑结构特点和负载加速度对龙门平动、转动模态的影响,采用拉格朗日方程建立了龙门动力学模型.依据该模型设计平动和转动控制回路并采用带有已知耦合项补偿的扩张状态观测器,估计并抑制由建模误差和未知耦合项等因素组成的总扰动.试验结果表明,该控制框架与解耦策略能有效解除双驱动轴间的动态耦合并抑制扰动,显著提升龙门试验台的动态响应和同步精度,且具有部署简单、所需测量模型参数少等优点.

关键词: 非对称柔性支撑, 龙门双驱运动平台, 解耦, 同步控制, 扩张状态观测器

Abstract:

A decoupling and synchronization control strategy based on a model-compensated extended state observer is proposed in control of a dual-drive gantry positioning stage with asymmetric flexure-linked structures. A gantry dynamic model considering the features of the flexure-linked structures and the impact of load acceleration is built using Lagrangian equations. Translational and rotational control loops are designed according to this model, while extended state observers with compensation of known coupling items in the model are deployed in each control loop to estimate and attenuate the total disturbances composed of unmodeled dynamics, unknown couplings, etc. The experimental results show that the proposed control strategy, which is simple to realize and requires few parameters to be measured, can effectively decouple the dynamics of dual axes and attenuates disturbances, greatly improving the dynamic response and synchronization accuracy of the gantry stage.

Key words: asymmetric flexure-linked structure, dual-drive gantry positioning stage, decoupling, synchronization control, extended state observer

中图分类号:

TH-39
TP273

位广宇, 谷朝臣, 杨舒盛, 关新平. 非对称柔性支撑龙门双驱平台的解耦与同步控制[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(5): 593-600.

WEI Guangyu, GU Chaochen, YANG Shusheng, GUAN Xinping. Decoupling and Synchronization Control of Asymmetric Flexure-Linked Dual-Drive Gantry Stage[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2023, 57(5): 593-600.

图/表 8

图1

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参考文献 15

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参数	含义	取值
m_C₁/kg	C1侧底座(含柔性支撑)总质量	9.9
m_C₂/kg	C2侧底座(含柔性支撑)总质量	9.85
m_H/kg	工作头(移动负载)质量	7.6
m_B/kg	横梁质量	26.8
J_H/(kg·m²)	工作头绕自身重心的转动惯量	0.038
J_B/(kg·m²)	横梁绕自身重心的转动惯量	3.2
d_BH/m	工作头(移动负载)重心偏移量	0.1
L_r/m	龙门试验台跨度	1.2
K_r/(N·m·rad^-1)	回转柔性支撑的转动刚度	28 500
K_s/(N·m^-1)	偏扭柔性支撑的刚度	125 000
c_g1,c_g2/(N·m^-1·s)	双驱轴导轨阻尼系数	20.3
c_y/(N·m^-1·s)	横梁轴导轨阻尼系数	32.5
c_b/(N·m·rad^-1·s)	回转柔性支撑旋转阻尼系数	300
c_bg/(N·m^-1·s)	偏扭柔性支撑阻尼系数	3 750
F_C1,F_C2	两侧电动机推力	—
F_Y	横梁轴电动机推力	—

非对称柔性支撑龙门双驱平台的解耦与同步控制

Decoupling and Synchronization Control of Asymmetric Flexure-Linked Dual-Drive Gantry Stage

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