电磁驱动柔顺微定位平台闭环频域逆迭代学习控制

张旭; 赖磊捷; 李朋志; 朱利民

doi:10.37188/OPE.20212909.2149

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电磁驱动柔顺微定位平台闭环频域逆迭代学习控制

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-10-08

- 电磁驱动柔顺微定位平台闭环频域逆迭代学习控制
- Closed-loop inverse iterative learning control in frequency-domain for electromagnetic driven compliant micro-positioning platform
- 光学精密工程 2021年29卷第9期页码：2149-2157
- 作者机构：
  
  1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201600
  2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  3.格鲁斯特大学计算与工程学院，英国切尔滕纳姆 GL50 2RH
  4.上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240
- 作者简介：
  
  [ "张　旭（1996-），男，河北石家庄人，硕士，2019年于河南理工大学获得学士学位，现为上海工程技术大学机械与汽车工程学院硕士，主要从事微纳米定位技术方面的研究。E-mail：18839129173@163.com" ]
  [ "赖磊捷（1984-），男，浙江宁波人，博士，副教授，2014年于上海交通大学获得博士学位，现为上海工程技术大学机械工程学院副教授，主要从事微位移驱动控制、微纳制造装备等领域的研究。E-mail： lailj@sues.edu.cn赖磊捷（1984-），男，浙江宁波人，博士，副教授，2014年于上海交通大学获得博士学位，现为上海工程技术大学机械工程学院副教授，主要从事微位移驱动控制、微纳制造装备等领域的研究。E-mail： lailj@sues.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金联合基金重点支持项目(U2013211);国家自然科学基金青年科学基金项目(51605275);上海自然科学基金资助项目(21ZR1426000)
- DOI：10.37188/OPE.20212909.2149
  中图分类号： TP29
- 收稿日期：2021-01-24，
  
  修回日期：2021-03-11，
  
  纸质出版日期：2021-09-15
- 稿件说明：
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张旭,赖磊捷,李朋志等.电磁驱动柔顺微定位平台闭环频域逆迭代学习控制[J].光学精密工程,2021,29(09):2149-2157.

ZHANG Xu,LAI Lei-jie,LI Peng-zhi,et al.Closed-loop inverse iterative learning control in frequency-domain for electromagnetic driven compliant micro-positioning platform[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2149-2157.
张旭,赖磊捷,李朋志等.电磁驱动柔顺微定位平台闭环频域逆迭代学习控制[J].光学精密工程,2021,29(09):2149-2157. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2149.

ZHANG Xu,LAI Lei-jie,LI Peng-zhi,et al.Closed-loop inverse iterative learning control in frequency-domain for electromagnetic driven compliant micro-positioning platform[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2149-2157. DOI： 10.37188/OPE.20212909.2149.

摘要

为了克服音圈电机电磁驱动柔顺微定位平台在大行程范围内存在的低阻尼谐振和动力学特性差异等问题，利用综合数据驱动频域逆迭代前馈补偿和含相位超前校正PI反馈控制的复合闭环频域逆迭代学习控制方法对其进行高速高精控制。首先，搭建了音圈电机驱动双平行四边形柔性机构微定位系统，并针对不同工作点位进行了动力学模型辨识。然后，为提高系统相对稳定性，设计了含相位超前校正环节的PI反馈控制器。同时，利用输入输出数据对系统频响函数进行在线逆估计并进行前馈补偿，来进一步消除谐振的影响。最后，利用所提出的控制方法进行了跟踪实验并与其它方法进行了对比。实验结果表明，提出的控制方法对三角波期望轨迹的最大跟踪误差为0.175%，相比于PID控制、相位超前PI控制、传递函数逆模型前馈控制，跟踪均方根误差分别减少了8.75，5.43和2.21倍，能够较好满足大行程微纳米定位跟踪精度高、速度快、抗干扰能力强的要求。

Abstract

To overcome the problems of low damping resonance and different dynamics properties in the large-range compliant micro-positioning stage driven by a voice coil motor， a compound closed-loop frequency-domain inverse iterative learning control method based on data-driven frequency-domain inverse iterative feedforward compensation and PI feedback control with phase-lead compensation is used for high-speed and high-precision control. First， the micro-positioning stage with a double-parallelogram flexure mechanism driven by a voice coil motor is built， and a dynamics model is identified for different working positions. Then， a PI feedback controller with phase-lead compensation is designed to improve the relative stability of the positioning system. Input and output data are then used for online inverse estimation of the system frequency response function， which can be used as feedforward compensation to further eliminate the resonance effect. Finally， tracking experiments are conducted using the proposed control method， which is then compared with other methods. Experimental results show that the maximum tracking error for the triangular trajectory using the proposed control method is 0.175%. Compared with a PID control， phase-leading PI control， and transfer function inverse feedforward control， the root mean square errors of tracking are reduced by 8.75， 5.43， and 2.21 times， respectively， which can better meet the requirements of high tracking accuracy， fast speed， and strong anti-interference ability of large stroke micro/nano-positioning.

关键词

Keywords

references

崔晶，王迪凡 . X-Y 精密定位平台的敏感函数逆前馈补偿控制［J］. 光学精密工程， 2015 ， 23 （ 4 ）： 1081 - 1087 . doi: 10.3788/OPE.20152304.1081 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152304.1081

CUI J ， WANG D F . Feedforward compensation control of X-Y precise positioning table using inversed-sensitive function ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2015 ， 23 （ 4 ）： 1081 - 1087 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20152304.1081 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152304.1081

王福超，王昱棠，田大鹏 . 音圈快速反射镜的完全跟踪控制［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1997 - 2006 . doi: 10.37188/OPE.20202809.1997 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1997

WANG F C ， WANG Y T ， TIAN D P . Perfect tracking control for fast-steering mirror driven by voice coil motor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1997 - 2006 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202809.1997 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1997

吴俊杰 . 基于纳米测量机的微结构三维坐标测量［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2252 - 2259 . doi: 10.37188/OPE.20202810.2252 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2252

WU J J . Three-dimensional coordinate measurement of microstructures based on nano measuring machine ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2252 - 2259 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202810.2252 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2252

ITO S ， TROPPMAIR S ， LINDNER B ， et al . Long-range fast nanopositioner using nonlinearities of hybrid reluctance actuator for energy efficiency ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 4 ）： 3051 - 3059 . doi: 10.1109/tie.2018.2842735 http://dx.doi.org/10.1109/tie.2018.2842735

XU Q . New flexure parallel-kinematic micropositioning system with large workspace ［J］. IEEE Transactions on Robotics ， 2011 ， 28 （ 2 ）： 478 - 491 . doi: 10.1109/tro.2011.2173853 http://dx.doi.org/10.1109/tro.2011.2173853

PARMAR G ， BARTON K ， AWTAR S . Large dynamic range nanopositioning using iterative learning control ［J］. Precision engineering ， 2014 ， 38 （ 1 ）： 48 - 56 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2013.07.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2013.07.003

CSENCSICS E ， SCHLARP J ， SCHITTER G . High-performance hybrid-reluctance-force-based tip/tilt system： Design， control， and evaluation ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2018 ， 23 （ 5 ）： 2494 - 2502 . doi: 10.1109/tmech.2018.2866272 http://dx.doi.org/10.1109/tmech.2018.2866272

ZHANG Z ， YANG X ， YAN P . Large dynamic range tracking of an XY compliant nanomanipulator with cross-axis coupling reduction ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2019 ， 117 ： 757 - 770 . doi: 10.1016/j.ymssp.2018.08.014 http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.08.014

KANG S ， LEE M G ， CHOI Y M . Six Degrees-of-Freedom Direct-Driven Nanopositioning Stage using Crab-Leg Flexures ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2020 . 513 - 525 . doi: 10.1109/TMECH.2020.2972301 http://dx.doi.org/10.1109/TMECH.2020.2972301

戴一帆，段纬然，王贵林等 . 音圈电机驱动的快刀伺服系统建模与性能分析［J］. 国防科技大学学报， 2008 ， 30 （ 1 ）： 78 - 82 . doi: 10.3969/j.issn.1001-2486.2008.01.017 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-2486.2008.01.017

DAI Y F ， DUAN W R ， WANG G L ， et al . Modeling and performance analysis of fast knife servo system driven by voice coil motor ［J］. Journal of National University of Defense Technology ， 2008 ， 30 （ 1 ）： 78 - 82 （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-2486.2008.01.017 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-2486.2008.01.017

谢晓丹，王博超，吴丹 . 电磁驱动快速刀具伺服机构的电磁场和驱动力［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2008 ， 48 （ 8 ）， 72 - 75 . doi: 10.3321/j.issn:1000-0054.2008.08.019 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-0054.2008.08.019

XIE S D ， WANG B C ， WU D . Electromagnetic field and driving force of electromagnetic driven fast tool servo mechanism ［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2008 ， 48 （ 8 ）： 72 - 75 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1000-0054.2008.08.019 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-0054.2008.08.019

CAI K ， TIAN Y ， LIU X ， et al . Development and control methodologies for 2-DOF micro/nano positioning stage with high out-of-plane payload capacity ［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing ， 2019 ， 56 ： 95 - 105 . doi: 10.1016/j.rcim.2018.08.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.rcim.2018.08.007

XI S Z ， LAI L J . Paired double parallelogram flexure mechanism clamped by corrugated beam for underconstraint elimination ［J］. Rev.Sci.Instrum ， 2020 ， 91 （ 8 ）： 086102 . doi: 10.1063/5.0003176 http://dx.doi.org/10.1063/5.0003176

KIM K S ， ZOU Q . A Modeling-Free Inversion-Based Iterative Feedforward Control for Precision Output Tracking of Linear Time-Invariant Systems ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2013 ， 18 （ 6 ）： 1767 - 1777 . doi: 10.1109/tmech.2012.2212912 http://dx.doi.org/10.1109/tmech.2012.2212912

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