在进行具体的建模、辨识和控制之前，我们首先介绍一下本论文研究所使用的硬件平 台以及其各自的性能参数。直线电机精密运动控制实验系统主要由两轴直线电机平台及其
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12 第二章 直线电机非线性刚性动力学建模及辨识 驱动器、位移传感器、力传感器、dSPACE控制系统和减振平台等部分组成，具体硬件系 统如图2-1所示。
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MATLAB/Simulink Real-Time Workshop MLIB
ControlDesk
Complier Real-Time
Interface MTRACE Main Processor A/D, D/A
Digital I/O
Encoder Interface
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图 2-1 直线电机精密运动控制实验系统图
控制系统通过dSPACE的D/A口输出电压控制信号，经功率放大器产生驱动电流，
驱动直线电机运动。在直线电机运动过程中，使用激光位移测量传感器或直线电机平 台自带的光栅尺位移传感器，通过dSPACE的编码器接口，可以实时获得直线电机的位 移信号。力传感器可通过外接机械结构直接测量直线电机在不同位置不同控制电压下 的驱动力，并通过dSPACE的A/D口读取测量数据。设计的实时控制算法可通过上位机 的Matlab/Simulink编程实现，其程序代码编译成功后直接转换和下载到dSPACE控制面板 中，并通过dSPACE的ControlDesk软件实现终端控制。以下逐个介绍实验系统的各个硬 件。
2.2.1 两轴直线电机平台
目前实验室选用的是Rockwell公司的两轴直线电机平台，型号为HERC-510-510-AA1-B-CC2， 具 体 实 物 参 见 图2-2。 其 主 要 部 件 包 括 直 线 电 机 、 电 机 驱 动 器 、 光 栅 尺 和 直 线 导 轨 ， 参 见 图2-3。该 平 台的 两 个电 机 均是Anorad的LC-50-200铁芯无 刷 直流 直 线电 机，最大推力632N，持续推力279N，最大驱动电流24.5A，持续驱动电流9.2A，磁极
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距P = 50mm，力常数KF = 30.3N/A，反电动势常数Kemf = 35.8V /m/s，等效电阻R = 1.88ohm，等效电感L = 18mH，X轴移动质量Mx = 6.69kg，Y轴移动质量My = 47.4kg。
驱动器为Allen-Bradley的Ultra3000伺服驱动器，其最大输入控制电压为10V 。两轴分别 自带一个Renishaw的RGH22系列光栅位移传感器，分辨率0.5µm，最大测量速度2m/s，
有 效 移 动 距 离 为510mm。 其 支 撑 的 直 线 导 轨 使 用THK公 司 的SSR-20XW型 号 （Y轴 ） 和SSR-15XW型号（X轴）。
X䖤 Y䖤
图 2-2 两轴直线电机平台 图 2-3 两轴直线电机平台主要部件
2.2.2 位移传感器
直线电机的位移可通过自带的光栅位移传感器来测量（参见图2-3），但为了追求 更高精度和分辨率的位置反馈信号，也可以使用外加的激光干涉仪。实验室目前拥有 一套Renishaw的RLE10激光干涉仪（参见图2-4），可实现4m的测量范围，速度测量上限 为2m/s，最高分辨率为20nm，带补偿器后测量精度可达±1ppm。虽然激光干涉仪各项性 能指标都很优秀，但是并不能同时实现。由于硬件的采样频率限制，当分辨率设置在纳米 级时，其测量速度的上限会很低。因此，在大部分高速运动控制的场合，光栅尺已经能够 满足测量需求，并未使用激光干涉仪作为实时反馈。激光干涉仪主要用来做一些低速高精 度的运动控制实验，或者是用来对光栅尺进行标定。
2.2.3 力传感器
力传感器通过其机械连接件固定，可以直接测量直线电机的驱动力，故而用来辨识直 线电机的各种非线性力。实验室拥有一套HBM的U10M型力传感器，及AE101放大器进行 测量信号进行放大和调理，参见图2-5。
14 第二章 直线电机非线性刚性动力学建模及辨识
图 2-4 激光位移传感器 图 2-5 力传感器
2.2.4 dSPACE控制系统
dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制 系统开发及测试的设备，它实现了和MATLAB/Simulink/RTW的无缝连接，具有运算速度 快、使用方便和界面友好等优点，可以很好地完成控制算法的设计、测试与实现[105]。 图2-6是我们在实验中使用的dSPACE DS1103系统。
图 2-6 dSPACE控制系统 图 2-7 隔振平台
2.2.5 隔振平台
为减小外界干扰对实验系统的影响，我们搭建了一个重约20吨的隔振平台，如图2-7所 示。该平台采用两级隔振的方式，外面一层用钢筋水泥铸成，由若干个隔振器纵向支撑，
里面一层为光学平台，采用多个纵向和横向的小隔振器实现内外层之间的二级隔振。
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