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目前，雙軸直驅(qū)平臺(tái)伺服系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于工業(yè)制造中，如半導(dǎo)體微加工、微電子制造設(shè)備、光學(xué)指向裝置和印制電路板制造等高速自動(dòng)化生產(chǎn)過程。雙軸直驅(qū)平臺(tái)伺服系統(tǒng)采用兩臺(tái)永磁直線同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）驅(qū)動(dòng)，當(dāng)參考輪廓的進(jìn)給率增加或者參考輪廓存在尖角時(shí)，受到不確定性因素影響的雙軸直驅(qū)平臺(tái)伺服系統(tǒng)的性能將會(huì)惡化，輪廓精度變低。因此，必須采取有效的控制策略，以實(shí)現(xiàn)雙軸直驅(qū)平臺(tái)伺服系統(tǒng)高速度、高精度的控制要求。

為提高系統(tǒng)的輪廓精度，許多研究通過單軸的跟蹤控制來減小輪廓誤差。然而此類方法不能完全解決各軸動(dòng)態(tài)不匹配等因素的影響，保證單軸良好的跟蹤性并不能提高系統(tǒng)的輪廓精度。為實(shí)現(xiàn)各軸間協(xié)調(diào)控制，交叉耦合控制（Cross-Coupled Control, CCC）被廣泛應(yīng)用于多軸運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。輪廓誤差估計(jì)（Contouring Error Estimation, CEE）是CCC中的關(guān)鍵部分，對(duì)輪廓誤差進(jìn)行分析和準(zhǔn)確估計(jì)至關(guān)重要。

有學(xué)者提出基于輪廓誤差傳遞函數(shù)的魯棒補(bǔ)償器變增益CCC方法，采用靜態(tài)CEE將曲線的正切估計(jì)近似為參考輪廓。然而這種方法僅適用于加工低速線性和圓形輪廓。有學(xué)者提出了一種基于等效誤差法的XY平臺(tái)二階滑模輪廓控制方案。但是該輪廓誤差模型與靜態(tài)CEE類似，在加工高進(jìn)給率和尖角輪廓時(shí)系統(tǒng)的輪廓精度變低，而且滑模控制存在的抖振并未完全削弱。

為此，沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員原浩、趙希梅，采用牛頓極值搜索算法的動(dòng)態(tài)CEE方法。動(dòng)態(tài)CEE收斂速度更快，并且在每個(gè)采樣點(diǎn)都可以重建輪廓誤差參數(shù)的梯度向量與Hessian矩陣，以實(shí)現(xiàn)高精度輪廓控制。對(duì)輪廓誤差進(jìn)行精確估計(jì)后，設(shè)計(jì)了控制器對(duì)含有不確定性的雙軸直驅(qū)平臺(tái)進(jìn)行控制。

圖2 雙軸直驅(qū)平臺(tái)伺服系統(tǒng)框圖

互補(bǔ)滑模控制器（Complementary Sliding Mode Controller, CSMC）具有響應(yīng)快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)不敏感等強(qiáng)魯棒性優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于非線性控制系統(tǒng)。為了削弱抖振，CSMC的切換函數(shù)選用飽和函數(shù)，并且CSMC采用兩個(gè)滑模面相結(jié)合的方式，提高了位置跟蹤精度和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

研究者針對(duì)雙軸直驅(qū)平臺(tái)伺服系統(tǒng)的輪廓精度控制問題，考慮到高進(jìn)給率和尖角輪廓使得伺服系統(tǒng)的輪廓精度變低，提出了一種基于動(dòng)態(tài)CEE和CSMC相結(jié)合的精密輪廓控制方案。動(dòng)態(tài)CEE可以對(duì)高進(jìn)給率和存在尖角的輪廓進(jìn)行高精度的輪廓誤差估計(jì)，且CSMC能夠解決伺服系統(tǒng)存在的不確定性問題，削弱了抖振現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的輪廓精度。

圖4 雙軸直驅(qū)平臺(tái)伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于低進(jìn)給率圓形輪廓，輪廓誤差保持在0.2～1.3μm；對(duì)于高進(jìn)給率圓形輪廓，輪廓誤差保持在0.3～2.89μm；對(duì)于星形輪廓，在尖角處的最大輪廓誤差為2.9μm。因此，所采用的控制方案有效可行，滿足系統(tǒng)的精度需求，具有較高的輪廓精度，實(shí)現(xiàn)了高精密輪廓控制。

以上研究成果已發(fā)表在2019年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于動(dòng)態(tài)輪廓誤差估計(jì)的雙軸直驅(qū)平臺(tái)精密輪廓控制”，作者為原浩、趙希梅。