基于微纳米定位的电磁驱动控制系统设计与分析

史琦婧; 朱姿娜; 李培兴; 吴迪

基于微纳米定位的电磁驱动控制系统设计与分析

上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51775165）；上海工程技术大学研究生科研创新资助项目（20KY0106）

详细信息

作者简介:
史琦婧（1996−），女，在读硕士，研究方向为柔性抓手驱动控制. E-mail：shiqijing96@163.com

通讯作者:
朱姿娜（1987−），女，副教授，博士，研究方向为磁力耦合驱动、机构优化设计、机器人方向. E-mail：zhuzina@126.com

中图分类号: TP273
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出版历程
- 收稿日期: 2021-05-08
- 刊出日期: 2021-06-30

Design and analysis of electromagnetic driver control system based on micro nano positioning

School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China

摘要

摘要: 针对大行程电磁驱动微纳米定位技术控制精度较低的问题，根据电磁驱动装置的工作原理，提出优化PID的控制方案，并在Matlab软件中搭建控制系统的Simulink模型. 相较传统PID控制，对前馈PID和模糊PID算法的改进效果进行研究，得出前馈PID拥有较好的动、静态控制性能，模糊PID鲁棒性较佳的结论.
- 电磁驱动 /
- 纳米定位 /
- 前馈控制 /
- 模糊控制
Abstract: Aiming at the problem of low control precision of large stroke electromagnetic drive micro-nano positioning technology, an optimized PID control scheme was proposed. According to the working principle of the electromagnetic drive device, the Simulink model of control system was established and built in Matlab software. Comparing with traditional PID control, the improvement effects of feedforward PID and fuzzy PID algorithm were studied. It is concluded that feedforward PID has better dynamic and static control performance, and fuzzy PID has better robustness.
- electromagnetic drive /
- nano positioning /
- feedforward control /
- fuzzy control

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图 1 电磁驱动装置结构图

Figure 1. Electromagnetic drive device structure drawing

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图 2 实际驱动系统图

Figure 2. Diagram of actual drive system

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图 3 传统PID控制系统原理框图

Figure 3. Principle block diagram of traditional PID control system

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图 4 前馈控制原理框图

Figure 4. Principle block diagram of feedforward control

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图 5 前馈PID控制结构框图

Figure 5. Structure block diagram of feedforward PID control

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图 6 模糊PID控制原理框图

Figure 6. Principle block diagram of fuzzy PID control

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图 7 模糊PID控制器结构框图

Figure 7. Structure block diagram of fuzzy PID controller

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图 8 电磁驱动装置等效电路图

Figure 8. Equivalent circuit diagram of electromagnetic drive device

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图 9 电磁驱动装置数学模型框图

Figure 9. Block diagram of mathematical model of electromagnetic drive device

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图 10 电磁驱动装置控制系统动态结构图

Figure 10. Dynamic structure diagram of control system of electromagnetic drive device

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图 11 电磁驱动装置控制系统仿真模型

Figure 11. Simulation model of control system of electromagnetic drive device

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图 12 Fuzzy PID Controller 子系统模块内部模型

Figure 12. Internal model of Fuzzy PID controller subsystem module

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图 13 3种控制算法的阶跃响应曲线及稳态误差

Figure 13. Step-response curves and steady-state errors of three control algorithms

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图 14 负载变化时的阶跃响应曲线

Figure 14. Step response curve when load changes

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表 1 模糊PID控制规则表

Table 1. Fuzzy PID control rules

e_c
e	NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
NB	PB / NB / PS	PB / NB / NS	PM / NM / NB	PM / NM / NB	PS / NS / NB	Z / Z / NM	Z / Z / PS
NM	PB / NB / PS	PB / NB / NS	PM / NM / NB	PS / NS / NM	PS / NS / NM	Z / Z / NS	NS / Z / Z
NS	PM / NB / Z	PM / NM / NS	PM / NS / NM	PS / NS / NM	Z / Z / NB	NS / PS / NS	NS / PS / Z
ZO	PM / NM / Z	PM / NM / NS	PS / NS / NS	Z / Z / NS	NS / PS / NS	NM / PM / NS	NM / PM / Z
PS	PS / NM / Z	PS / NS / Z	Z / Z / Z	NS / PS / Z	NM / PM / Z	NM / PM / Z	NM / PB / Z
PM	PS / Z / PB	Z / Z / PS	NS / PS / PS	NM / PS / PS	NM / PM / PS	NM / PB / PS	NB / PB / PB
PB	Z / Z / PB	Z / Z / PM	NS / PM / PM	NM / PM / PM	NM / PM / PS	NM / PB / PS	NB / PB / PB

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表 2 电磁驱动装置主要性能参数

Table 2. Main performance parameters of electromagnetic drive device

参数	数值
线圈电阻R / Ω	8.3
线圈电感L_a/ mH	2.5
驱动器动子质量m / kg	0.15
阻尼系数K /（N•s•m⁻¹）	12.6
驱动装置力常数K_S	14.1
电磁时间常数T_l/ ms	0.3
机电时间常数t_m/ ms	6.26

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