本發(fā)明涉及一種基于Stop算子的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)滯回控制方法。

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(jì)中由于力矩輸出處于合適狀態(tài)時(shí)，其滯回具有對(duì)稱(chēng)性，對(duì)周期重復(fù)信號(hào)控制時(shí)有一定的誤差。為了改善跟隨性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于stop算子對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償控制的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。從實(shí)作結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的力矩速度關(guān)系基本是線性，故基于stop算子對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償控制能有效增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對(duì)于不確定性的影響程度，電機(jī)的力矩與速度控制可以獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Stop算子的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)滯回控制方法，不僅控制準(zhǔn)確度高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，使用效果好。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于Stop算子的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)滯回控制方法，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)輸出軸與光電編碼器相連接，另一側(cè)輸出軸與飛輪慣性負(fù)載相連接，所述飛輪慣性負(fù)載的輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號(hào)輸出端、所述力矩傳感器的信號(hào)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stop算子補(bǔ)償控制器的基礎(chǔ)上，所述stop算子補(bǔ)償控制器以辨識(shí)誤差最小為其調(diào)整函數(shù)，從而獲得更好的輸入輸出控制效能；所述控制系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)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(guò)光電編碼器測(cè)量得到的位置信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述步驟S1中，所述控制系統(tǒng)包括超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，所述超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動(dòng)芯片電路，所述光電編碼器的信號(hào)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(dòng)芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)芯片電路，所述驅(qū)動(dòng)芯片電路的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)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stop算子補(bǔ)償控制器設(shè)置于所述控制芯片電路中。

進(jìn)一步的，所述步驟S1中，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。

進(jìn)一步的，所述步驟S1中，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)一步的，所述步驟S2中，電機(jī)力矩-速度特性的滯回具有對(duì)稱(chēng)性，為了減少此現(xiàn)象造成的影響同時(shí)減少運(yùn)算量，使用stop算子對(duì)稱(chēng)滯回補(bǔ)償對(duì)其進(jìn)行控制：停止操作符的輸出是它臨界值s和輸入v(t)的函數(shù)，輸入v(t)∈C[0，T]的stop算子輸出可以表示為：

E_s[v](0)＝e_s(v(0))

E_s[v](t)＝e_s(v(t)-v(t_i)+E_s[v](t_i))

對(duì)于t_i＜t＜t_i+1且0≤i≤N-1，

e_s＝min(s,max(-s,v))

其中0＝t₀<t₁<......<t_l＝T是T[0，T]的分區(qū)，使得函數(shù)v(t)∈C[0，T]，C[0，T]表示[0，T]上的連續(xù)函數(shù)的空間，在每個(gè)子區(qū)間[t_i，t_i+1]上是單調(diào)的；

在不同閾值s下，stop算子的輸出為：

把上式離散化，輸出通過(guò)n個(gè)stop算子來(lái)描述，0＝s₀<s₁<......<s_n＝S，也就是：

其中w_s表示密度函數(shù)的權(quán)重，即

由于Lipschitz連續(xù)性，stop算子E_s為可積密度函數(shù)，因此基于stop算子的模型對(duì)于給定輸入v(t)∈C[0，T]是Lipschitz連續(xù)的，可以進(jìn)一步得到此模型是單調(diào)運(yùn)算符，權(quán)重函數(shù)可積分且為正；

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，輸入信號(hào)v(t)先經(jīng)過(guò)逆系統(tǒng)ψ，其輸出作為控制信號(hào)進(jìn)入對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)Φ，使用前饋補(bǔ)償以獲得期望輸入v(t)和輸出u(t)之間的映射：

u(t)＝Φ[ψ[v]](t)

基于PPI模型的初始負(fù)載曲線和給定的閾值r_i和對(duì)應(yīng)的權(quán)重p_i，得到stop算子的兩個(gè)參數(shù)：閾值s_i和權(quán)重w_i；

假設(shè)PPI模型的初始加載曲線表示為：

其中r∈[r₀，r_np]和r₀＝0，n_p是算子p的個(gè)數(shù)，p為PPI模型的算子，r_i為PPI模型的閾值；函數(shù)φ_p：R^+→R⁺是凸函數(shù)和遞增函數(shù)，為了獲得補(bǔ)償器的參數(shù)，基于stop算子的初始加載曲線φ_s定義為：

其中φ_s：：R^+→R⁺是凹函數(shù)和增函數(shù)，n_s是算子的個(gè)數(shù)，s∈[0，s₀]，s₀設(shè)為大的正實(shí)數(shù)，滿足s₀>max(v(t))，確保stop算子模型的嚴(yán)格單調(diào)性；

為了獲得stop算子模型的權(quán)重和閾值，stop算子模型的閾值和初始負(fù)載曲線滿足：

s_i＝φ_r(r_i) (3.16)

φ_s(s_i)＝r_i (3.17)

根據(jù)PPI的初始負(fù)載曲線上的任何點(diǎn)B(r_k，φ_r)滿足方程(3.16)和(3.17)，它總是可以在stop算子的初始負(fù)載曲線上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)C(s_k，φ_s)；stop算子模型的閾值可以用以下方式與PPI模型的閾值相關(guān)：

s₁＝r₁p₀

s₂＝(r₂-r₁)p₁+r₂p₀

s₃＝(r₃-r₁)p₁+(r₃-r₂)p₂+r₃p₀

s_n＝(r_n-r₁)p₁+(r_n-r₂)p₂+...+r_np₀ (3.18)

stop算子模型w_i可以根據(jù)(3.17)計(jì)算為：

方程組(3.19)包括(n+1)個(gè)未知變量，而方程的數(shù)量為n，為了求解方程(3.19)并獲得權(quán)重w_n，應(yīng)首先求解權(quán)重w₀；

在SPI模型的初始負(fù)載曲線上采用附加點(diǎn)作為(s_n+1，φ_s(s_n+1))，通過(guò)使其中是正實(shí)數(shù)，可以表示為ξ＝φ_s(s_n+1)；

根據(jù)(3.16)和(3.17)：

公式(3.19)和(3.21)：

方程(3.20)可以表示為：

從(3.22)和(3.23)得出w₀：

最后通過(guò)求解方程(3.19)容易地獲得stop算子模型的權(quán)重w_i。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本發(fā)明采用stop算子對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償控制的超聲波電機(jī)伺服控制器，系統(tǒng)在力矩速度跟蹤效果上有著顯著的改善，此對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償控制能有效的增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對(duì)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(dòng)態(tài)特性。此外，該裝置設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shuō)明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的控制電路原理圖。

圖3是本發(fā)明的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)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(dòng)芯片電路，15、16、17-光電編碼器輸出的A、B、Z相信號(hào)，18、19、20、21-驅(qū)動(dòng)芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)，22-驅(qū)動(dòng)芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)，23、24、25、26、27、28-控制芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)芯片電路的信號(hào)，29-超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。

具體實(shí)施方式

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

本發(fā)明提供一種基于Stop算子的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)滯回控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：請(qǐng)參照?qǐng)D1，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(hào)輸出端、所述力矩傳感器10的信號(hào)輸出端分別接至控制系統(tǒng)。

上述超聲波電機(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。

如圖2所示，上述控制系統(tǒng)包括超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路29，所述超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路29包括控制芯片電路13和驅(qū)動(dòng)芯片電路14，所述光電編碼器1的信號(hào)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(dòng)芯片電路14的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)芯片電路14，所述驅(qū)動(dòng)芯片電路14的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)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(dòng)芯片電路14產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)，對(duì)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(guò)開(kāi)通及關(guān)斷PWM波的輸出來(lái)控制超聲波電機(jī)的啟動(dòng)和停止運(yùn)行；通過(guò)調(diào)節(jié)輸出的PWM波的頻率及兩相的相位差來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

步驟S2：所述控制系統(tǒng)建立在stop算子補(bǔ)償控制器的基礎(chǔ)上，所述stop算子補(bǔ)償控制器設(shè)置于所述控制芯片電路中；所述stop算子補(bǔ)償控制器以辨識(shí)誤差最小為其調(diào)整函數(shù)，從而獲得更好的輸入輸出控制效能；所述控制系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)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(guò)光電編碼器測(cè)量得到的位置信號(hào)。

當(dāng)電機(jī)的負(fù)載力矩適中時(shí)，電機(jī)力矩-速度特性的滯回具有對(duì)稱(chēng)性，為了減少此現(xiàn)象造成的影響同時(shí)減少運(yùn)算量，我們使用stop算子對(duì)稱(chēng)滯回補(bǔ)償對(duì)其進(jìn)行控制：停止操作符的輸出是它臨界值s和輸入v(t)的函數(shù)，輸入v(t)∈C[0，T]的stop算子輸出可以表示為：

E_s[v](0)＝e_s(v(0))

E_s[v](t)＝e_s(v(t)-v(t_i)+E_s[v](t_i))

對(duì)于t_i＜t＜t_i+1且0≤i≤N-1，

e_s＝min(s,max(-s,v))

其中0＝t₀<t₁<......<t_l＝T是T[0，T]的分區(qū)，使得函數(shù)v(t)∈C[0，T]，C[0，T]表示[0，T]上的連續(xù)函數(shù)的空間，在每個(gè)子區(qū)間[t_i，t_i+1]上是單調(diào)的；

在不同閾值s下，stop算子的輸出為：

把上式離散化，輸出通過(guò)n個(gè)stop算子來(lái)描述，0＝s₀<s₁<......<s_n＝S，也就是：

其中w_s表示密度函數(shù)的權(quán)重，即

由于Lipschitz連續(xù)性，stop算子E_s為可積密度函數(shù)，因此基于stop算子的模型對(duì)于給定輸入v(t)∈C[0，T]是Lipschitz連續(xù)的，可以進(jìn)一步得到此模型是單調(diào)運(yùn)算符，權(quán)重函數(shù)可積分且為正；

如圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，輸入信號(hào)v(t)先經(jīng)過(guò)逆系統(tǒng)ψ，其輸出作為控制信號(hào)進(jìn)入對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)Φ，我們使用前饋補(bǔ)償以獲得期望輸入v(t)和輸出u(t)之間的映射：

u(t)＝Φ[ψ[v]](t)

基于PPI模型的初始負(fù)載曲線和給定的閾值r_i和對(duì)應(yīng)的權(quán)重p_i，可以得到stop算子的兩個(gè)參數(shù)：閾值s_i和權(quán)重w_i；

假設(shè)PPI模型的初始加載曲線表示為：

其中r∈[r₀，r_np]和r₀＝0，n_p是算子p的個(gè)數(shù)，p為PPI模型的算子，r_i為PPI模型的閾值；函數(shù)φ_p：R^+→R⁺是凸函數(shù)和遞增函數(shù)，為了獲得補(bǔ)償器的參數(shù)，基于stop算子的初始加載曲線φ_s定義為：

其中φ_s：：R^+→R⁺是凹函數(shù)和增函數(shù)，n_s是算子的個(gè)數(shù)，s∈[0，s₀]，s₀設(shè)為大的正實(shí)數(shù)，滿足s₀>max(v(t))，確保stop算子模型的嚴(yán)格單調(diào)性；

為了獲得stop算子模型的權(quán)重和閾值，stop算子模型的閾值和初始負(fù)載曲線滿足：

s_i＝φ_r(r_i) (3.16)

φ_s(s_i)＝r_i (3.17)

根據(jù)PPI的初始負(fù)載曲線上的任何點(diǎn)B(r_k，φ_r)滿足方程(3.16)和(3.17)，它總是可以在stop算子的初始負(fù)載曲線上找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)C(s_k，φ_s)；stop算子模型的閾值可以用以下方式與PPI模型的閾值相關(guān)：

s₁＝r₁p₀

s₂＝(r₂-r₁)p₁+r₂p₀

s₃＝(r₃-r₁)p₁+(r₃-r₂)p₂+r₃p₀

s_n＝(r_n-r₁)p₁+(r_n-r₂)p₂+...+r_np₀ (3.18)

stop算子模型w_i可以根據(jù)(3.17)計(jì)算為：

方程組(3.19)包括(n+1)個(gè)未知變量，而方程的數(shù)量為n，為了求解方程(3.19)并獲得權(quán)重w_n，應(yīng)首先求解權(quán)重w₀；

為此，在SPI模型的初始負(fù)載曲線上采用附加點(diǎn)作為(s_n+1，φ_s(s_n+1))，通過(guò)使其中是正實(shí)數(shù)，可以表示為ξ＝φ_s(s_n+1)；

根據(jù)(3.16)和(3.17)：

公式(3.19)和(3.21)：

方程(3.20)可以表示為：

從(3.22)和(3.23)得出w₀：

最后通過(guò)求解方程(3.19)容易地獲得stop算子模型的權(quán)重w_i。

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(qǐng)專(zhuān)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。