本發(fā)明涉及電機(jī)控制器領(lǐng)域，特別是涉及一種基于輸出反饋控制器的超聲波電機(jī)伺服控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計中有對于輸出信號的檢測誤差，這可能會導(dǎo)致控制變量的估計誤差。為了避免這種情況,我們現(xiàn)在提出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制方案。此控制系統(tǒng)能有效的增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對于不確定性的影響程度。因此電機(jī)的位置與速度控制可以獲得較好的動態(tài)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于輸出反饋控制器的超聲波電機(jī)伺服控制方法，不僅控制準(zhǔn)確度高，而且該方法采樣的裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，使用效果好。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種基于輸出反饋控制器的超聲波電機(jī)伺服控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟S1：提供一基座以及設(shè)于基座上的超聲波電機(jī)，所述超聲波電機(jī)一側(cè)輸出軸與一光電編碼器相連接，另一側(cè)輸出軸與一飛輪慣性負(fù)載相連接，所述飛輪慣性負(fù)載的輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與一力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號輸出端、所述力矩傳感器的信號輸出端分別接至一控制系統(tǒng)；

步驟S2：所述控制系統(tǒng)建立在輸出反饋控制的基礎(chǔ)上，在控制器上以Lyapunov函數(shù)為其調(diào)整函數(shù)，用以獲得更好的控制效能；所述控制系統(tǒng)的動態(tài)方程為：

其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t＞0,C_P＝-1/J；B為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負(fù)載力矩，U(t)是電機(jī)的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號。

進(jìn)一步地，所述步驟S1中，控制系統(tǒng)包括一超聲波電機(jī)驅(qū)動控制電路，所述超聲波電機(jī)驅(qū)動控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動芯片電路，所述光電編碼器的信號輸出端與所述控制芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制芯片電路的輸出端與所述驅(qū)動芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動所述驅(qū)動芯片電路，所述驅(qū)動芯片電路的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號輸出端和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號輸出端分別與所述超聲波電機(jī)的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制器設(shè)于所述控制芯片電路中。

進(jìn)一步的，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。

進(jìn)一步的，所述超聲波電機(jī)、光電編碼器、力矩傳感器分別經(jīng)超聲波電機(jī)固定支架、光電編碼器固定支架、力矩傳感器固定支架固定于所述基座上。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中，若控制系統(tǒng)的參數(shù)都是已知的，外力干擾、交叉耦合干擾和摩擦力都是不存在的，則電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模型為下式所示：

其中，A_n為A_p之標(biāo)準(zhǔn)值，B_n為B_P之標(biāo)準(zhǔn)值；

假如產(chǎn)生不確定項，如若控制系統(tǒng)的參數(shù)值偏離了標(biāo)準(zhǔn)值或是系統(tǒng)出現(xiàn)了外力干擾，交叉耦合干擾和摩擦力矩等，此時控制系統(tǒng)的動態(tài)方程修改成：

其中，C_n為C_P之標(biāo)準(zhǔn)值，ΔA，ΔB、ΔC代表微小變化量，D(t)為總集不確定項，定義為：

因此將總集不確定項的邊界假設(shè)為已知，如|D(t)|≤ρ，ρ為一個給定的正常數(shù)項，為了避免電機(jī)中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項，則使用反饋控制對系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制；

非線性系統(tǒng)動力學(xué)重新表示成：

上式a_i為未知常數(shù)和控制增益參數(shù)，Y_i是已知的連續(xù)性或非線性函數(shù)，w是控制輸入，x₁(t)＝x(t)，x_n＝x^(n-1)，a＝[-a₁,a₂,…,-a_m]^T，Y＝[Y₁,Y₂,…,Y_m]^T；表示有界的外部干擾，u₀、w₀為u、w的初始值，u為回滯系統(tǒng)的輸出，d(t)的影響是由于bd₁(w(t))產(chǎn)生的外部干擾，稱之為擾動項；

輸出y：

其中，

采用的濾波器為如下方程所示：

其中，k＝[k₁,…,k_n]^T，使得矩陣的所有特征值位于給定的穩(wěn)定位置；利用濾波器，狀態(tài)估計誤差滿足:

其中，

則控制系統(tǒng)表示為:

因此：

Θ＝[b_m,…,b₀,θ^T]^T

v_i,2,ε₂,ξ₂分別表示v_i,ε,ξ的第二項，它的所有狀態(tài)用于反饋；

則控制器通過遵循下面的設(shè)計步驟來實(shí)現(xiàn)，其中c_i,i＝1,…,ρ是正設(shè)計參數(shù)，是Θ的估計，是和是待設(shè)計的正常數(shù)，并且Θ₀是正的常數(shù)；

在自適應(yīng)控制設(shè)計中使用輸出反饋來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，先進(jìn)行坐標(biāo)變換：

z₁＝y(tǒng)-y_r

(18)

其中y為實(shí)際輸出，y_r為給定的運(yùn)動軌跡方程，b_m＝a_mc，c為常數(shù)，m是方程(5)的階數(shù)，α_i-1是第i個虛擬控制步驟；

參數(shù)更新規(guī)律為：

進(jìn)一步參數(shù)更新規(guī)律為：

調(diào)整函數(shù)為：

根據(jù)上述公式，則該控制過程是穩(wěn)定的，滿足z_i(i＝1,2,…n)→0，則因此該系統(tǒng)通過使用輸出反饋算法來控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，再通過計算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度間接控制電機(jī)的速度。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：由于傳統(tǒng)反步控制器有不連續(xù)函數(shù)參與控制，這可能會導(dǎo)致顫振。為了減少顫振的發(fā)生，本發(fā)明使用了改進(jìn)算法有效的增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對于不確定性的影響程度，提高了控制的準(zhǔn)確性，可以獲得較好的動態(tài)特性。此外，該裝置設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的控制電路原理圖。

圖中，1-光電編碼器，2-光電編碼器固定支架，3-超聲波電機(jī)輸出軸，4-超聲波電機(jī)，5-超聲波電機(jī)固定支架，6-超聲波電機(jī)輸出軸，7-飛輪慣性負(fù)載，8-飛輪慣性負(fù)載輸出軸，9-彈性聯(lián)軸器，10-力矩傳感器，11-力矩傳感器固定支架，12-基座，13-控制芯片電路，14-驅(qū)動芯片電路，15、16、17-光電編碼器輸出的A、B、Z相信號，18、19、20、21-驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號，22-驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號，23、24、25、26、27、28-控制芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動芯片電路的信號，29-超聲波電機(jī)驅(qū)動控制電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本實(shí)施例提供一種基于輸出反饋控制器的超聲波電機(jī)伺服控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟S1：如圖1所示，提供一基座12和設(shè)于基座12上的超聲波電機(jī)4，所述超聲波電機(jī)4一側(cè)輸出軸3與光電編碼器1相連接，另一側(cè)輸出軸6與飛輪慣性負(fù)載7相連接，所述飛輪慣性負(fù)載7的輸出軸8經(jīng)彈性聯(lián)軸器9與力矩傳感器10相連接，所述光電編碼器1的信號輸出端、所述力矩傳感器10的信號輸出端分別接至一控制系統(tǒng)；

步驟S2：所述控制系統(tǒng)建立在輸出反饋控制的基礎(chǔ)上，在控制器上以Lyapunov函數(shù)為其調(diào)整函數(shù)，用以獲得更好的控制效能；所述控制系統(tǒng)的動態(tài)方程為：

其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t＞0,C_P＝-1/J；B為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負(fù)載力矩，U(t)是電機(jī)的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號。

在本實(shí)施例中，所述步驟S1中，如圖2所示，所述控制系統(tǒng)包括超聲波電機(jī)驅(qū)動控制電路29，所述超聲波電機(jī)驅(qū)動控制電路29包括控制芯片電路13和驅(qū)動芯片電路14，所述光電編碼器1的信號輸出端與所述控制芯片電路13的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制芯片電路13的輸出端與所述驅(qū)動芯片電路14的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動所述驅(qū)動芯片電路14，所述驅(qū)動芯片電路14的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號輸出端和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號輸出端分別與所述超聲波電機(jī)4的相應(yīng)輸入端相連接。所述驅(qū)動芯片電路14產(chǎn)生驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號，對超聲波電機(jī)輸出A、B兩相PWM的頻率、相位及通斷進(jìn)行控制。通過開通及關(guān)斷PWM波的輸出來控制超聲波電機(jī)的啟動和停止運(yùn)行；通過調(diào)節(jié)輸出的PWM波的頻率及兩相的相位差來調(diào)節(jié)電機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

在本實(shí)施例中，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。

在本實(shí)施例中，所述超聲波電機(jī)4、光電編碼器1、力矩傳感器10分別經(jīng)超聲波電機(jī)固定支架5、光電編碼器固定支架2、力矩傳感器固定支架11固定于所述基座12上。

在本實(shí)施例中，該控制方法中的控制系統(tǒng)由反步控制器和電機(jī)組成；為了避免電機(jī)中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項，需要使用反步控制方法對系統(tǒng)進(jìn)行控制：

現(xiàn)在先假設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)都是已知的，外力干擾、交叉耦合干擾和摩擦力都是不存在的，則電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模型為下式所示：

其中，A_n為A_p之標(biāo)準(zhǔn)值，B_n為B_P之標(biāo)準(zhǔn)值。

假如產(chǎn)生不確定項(如系統(tǒng)參數(shù)值偏離了標(biāo)準(zhǔn)值或是系統(tǒng)出現(xiàn)了外力干擾，交叉耦合干擾和摩擦力矩等)，此時控制系統(tǒng)的動態(tài)方程修改成：

其中，C_n為C_P之標(biāo)準(zhǔn)值，ΔA，ΔB、ΔC代表微小變化量，D(t)為總集不確定項，定義為：

將總集不確定項的邊界假設(shè)為已知，如|D(t)|≤ρ，ρ為一個給定的正常數(shù)項。為了避免電機(jī)中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項，使用反饋控制對系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制。

非線性系統(tǒng)動力學(xué)可以重新表示成

上式a_i為未知常數(shù)和控制增益參數(shù)，Y_i是已知的連續(xù)性或非線性函數(shù)，w是控制輸入，x₁(t)＝x(t)，x_n＝x^(n-1)，a＝[-a₁,a₂,…,-a_m]^T，Y＝[Y₁,Y₂,…,Y_m]^T。這些參數(shù)可以提供一定程度的自由來決定其適應(yīng)性。表示有界的外部干擾，u₀、w₀為u、w的初始值，u為回滯系統(tǒng)的輸出。d(t)的影響是由于bd₁(w(t))產(chǎn)生的外部干擾，稱之為擾動項。

輸出y：

其中

采用的濾波器為如下方程所示：

其中，k＝[k₁,…,k_n]^T，使得矩陣的所有特征值位于給定的穩(wěn)定位置。利用設(shè)計的濾波器，狀態(tài)估計誤差滿足:

其中，

那么系統(tǒng)可以表示為:

因此：

Θ＝[b_m,…,b₀,θ^T]^T

v_i,2,ε₂,ξ₂分別表示v_i,ε,ξ的第二項。它的所有狀態(tài)可用于反饋。

控制器設(shè)計通過遵循下面的設(shè)計步驟來實(shí)現(xiàn)，其中c_i,i＝1,…,ρ是正設(shè)計參數(shù)，是Θ的估計，是和是待設(shè)計的正常數(shù)，并且Θ₀是正的常數(shù)。

在自適應(yīng)控制設(shè)計中使用輸出反饋來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，先進(jìn)行坐標(biāo)變換：

z₁＝y(tǒng)-y_r

(18)

其中，y為實(shí)際輸出，y_r為給定的運(yùn)動軌跡方程，b_m＝a_mc，c為常數(shù)。m是方程(5)的階數(shù)，α_i-1是第i個虛擬控制步驟。

參數(shù)更新規(guī)律為：

進(jìn)一步參數(shù)更新規(guī)律為：

調(diào)整函數(shù)為：

可以證明上述過程是穩(wěn)定的，滿足z_i(i＝1,2,…n)→0，意味著

因此，該控制方法通過使用輸出反饋算法來控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，再通過計算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度間接控制電機(jī)的速度。由李亞普諾夫穩(wěn)定性定理獲得反饋控制參數(shù)的強(qiáng)健性學(xué)習(xí)法則。當(dāng)反饋?zhàn)赃m應(yīng)將使用來估測控制系統(tǒng)的輸出項，用李亞普諾夫函數(shù)確保所設(shè)計的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。