2019年 7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.34 No.13 第34卷第13期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2019

DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180839

基于Sugeno型模糊神经网络和互补滑模

控制器的双直线电机伺服系统同步控制

金鸿雁 赵希梅

（沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870） 摘要 针对高精密直驱龙门定位平台的双直线电机伺服系统的位置同步控制问题，提出一种

Sugeno型模糊神经网络（SFNN）同步补偿器和互补滑模控制器（CSMC）相结合的控制方法。建立

了含有参数变化、外部扰动和摩擦力等不确定性的永磁直线同步电机（PMLSM）动态模型，采用广

义滑模面和互补滑模面相结合的方式来设计CSMC。CSMC可有效抑制参数变化、外部扰动和摩擦

力等不确定性的影响，削弱传统滑模控制器（SMC）存在的抖振现象，减小系统的跟踪误差，实现

高精度位置跟踪。同时，利用SFNN同步补偿器解决双直线电机间动态参数不匹配问题及耦合现

象，SFNN同步补偿器可对每个轴进行误差补偿，从而减小位置同步误差，保证系统实现同步控制。

实验结果表明，该控制方法可明显减小系统的跟踪误差和同步误差，进而改善轮廓加工精度。

关键词：双直线电机伺服系统 Sugeno型模糊神经网络 互补滑模控制器 不确定性 同

步控制

中图分类号：TP273

Dual Linear Motors Servo System Synchronization Control Based on

Sugeno Type Fuzzy Neural Network and Complementary Sliding

Mode Controller

Jin Hongyan Zhao Ximei

（School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China） Abstract A control method combined with Sugeno type fuzzy neural network (SFNN)

synchronous compensator and complementary sliding mode controller (CSMC) is proposed for position

synchronization control problems of dual linear motors servo system in a high precision direct drive

gantry position stage. The permanent magnet linear synchronous motor (PMLSM) dynamic model with

uncertainties such as parameter variations, external disturbances and friction forces was established, and

CSMC is designed by the combination of generalized sliding surface and complementary sliding surface.

CSMC can efficiently suppress the influence of uncertainties and weaken the chattering phenomenon in

the traditional sliding mode controller (SMC), reduce the tracking errors of the system and achieve high

precision position tracking. Meanwhile, SFNN synchronous controller is used to solve the dynamic

parameter unmatched problems between two linear motors and the coupling phenomenon. SFNN can

make error compensation for each axis, so that it can reduce the position synchronization error and

guarantee synchronization control of the system. The experimental results show that the control method

can significantly reduce the tracking error and synchronization error of the system, and further improve

辽宁省自然科学基金计划重点项目（20170540677）和辽宁省教育厅科学技术研究项目（LQGD2017025）资助。 收稿日期 2018-05-15 改稿日期 2018-09-04 第34卷第13期 金鸿雁等 基于Sugeno型模糊神经网络和互补滑模控制器的双直线电机伺服系统同步控制 2727

the accuracy of contour processing.

Keywords：Dual linear motors servo system, Sugeno type fuzzy neural network (SFNN), complementary

sliding mode controller (CSMC), uncertainties, synchronization control

0 引言

随着先进制造业的快速发展，超精密机床技

术已被广泛应用于医疗器械、光电系统和检测转换等领域[1-2]。作为高档数控机床的代表，精密直

驱龙门定位平台受到人们越来越多的关注。龙门

定位平台由两台完全相同的永磁直线同步电机

（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,

PMLSM）组成，是一种典型的多轴协调控制系统[3]。

这就要求在同一给定信号下，两台PMLSM需保

持速度和位置的一致性。然而在实际加工过程中，

两台PMLSM间存在的机械耦合和运行过程中的

不确定性会使龙门定位平台不能实现同步进给，从

而影响加工精度[4-5]。因此，减小双直线电机伺服

系统的跟踪误差和同步误差，进一步提高系统加

工精度，是目前高精度龙门定位平台所面临的巨

大挑战。

为解决双直线电机存在的同步误差问题，首先

要保证单轴PMLSM的位置跟踪精度，降低系统对

参数变化、外部扰动和摩擦力等不确定性的敏感度。

滑模控制器（Sliding Mode Controller, SMC）是一种

特殊的不连续的非线性控制方法，能使系统具有较

强的鲁棒性[6-7]。但当系统状态点到达滑模面时，会

产生高频小幅度抖振[8]。文献[9]将全阶SMC应用

于高阶非线性系统中，削弱了抖振现象，但控制器

设计时需进行多次求导，并在计算过程中引入赫尔

维茨多项式。文献[10]采用非奇异快速终端SMC，具

有较高的收敛速度，提高了系统的动、静态性能，但

当系统状态点离平衡点较远时，动态性能变差。为

解决SMC中存在的抖振问题，本文设计互补滑模

控制器（Complementary Sliding Mode Controller,

CSMC）提高系统性能，CSMC在SMC的基础上，

将广义滑模面和互补滑模面相结合，并通过

Lyapunov稳定理论证明了该方法的有效性，提高了

系统的鲁棒性和跟踪性。

在保证单轴PMLSM跟踪精度的同时，需减小

双直线电机伺服系统的同步误差。目前，龙门平台

伺服系统通常有串联和并联两种同步控制策略。串

联同步控制将位置信号送给主电机，再将主电机的

输出信号作为从电机的输入信号进行控制[11-12]。文

献[13]采用模糊PID主从式方法进行多电机控制，解决了主从控制受到外界干扰时电机间影响较大

的问题，但设计模糊PID控制器过于依赖经验。并

联同步控制对多台单机输入相同信号，每台电机依

靠独立的控制系统完成控制目标，从而实现同步进

给[14]。交叉耦合控制属于一种特殊的并联同步控

制，文献[15]采用鲁棒自适应交叉耦合同步控制方

法，保证了系统的同步跟踪精度。但交叉耦合控制

只适用于线性轮廓误差，对于具有时变性质的轨迹

无法保证稳定性。因此，本文设计Sugeno型模糊

神经网络（Sugeno type Fuzzy Neural Network, SFNN）

同步补偿器，SFNN同步补偿器可根据误差模型对

各轴间同步误差进行估计和补偿，并通过反向传播

算法实时调整各轴补偿参数，从而达到减小系统同

步误差的目的。

本文提出SFNN同步补偿器和CSMC相结合

的控制方法减小双直线电机间存在的跟踪误差和

同步误差。实验结果表明，所提方法能够有效提高

系统的同步控制精度，满足龙门定位平台高精密加

工要求。

1 双直线电机伺服系统数学模型

PMLSM电磁推力方程为

*efqiiiFKi= （1）

fpPM3π/(2)iiiiKnψτ= （2）

式中，eiF为电磁推力；fiK为电磁推力系数；*qii为

推力电流；pin为极对数；PMiψ为永磁体磁链；iτ为

极距；i=y1或y2，表示双直线电机伺服系统的y1

轴和y2轴。 PMSLM运动方程为

eiiiiiiFMvBvF=++󰀅 （3）

式中，iM为动子总质量；iv为动子速度；iB为黏滞

摩擦系数；iF为扰动，包括电机参数变化、系统外

界扰动和非线性摩擦力。为简化下文控制器设计，

将所有下标i省去。

首先假设系统不存在不确定性，则可将式（1）

和式（3）改写为

*fqnn()()()=()KBdtdtitAdtBuMM=−++󰀅󰀅󰀅󰀅 （4）