本發(fā)明涉及電機控制器領(lǐng)域，特別是一種基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計中由于力矩-速度滯回的存在，使得系統(tǒng)的性能受到影響，對周期重復(fù)信號控制時有一定的誤差。為了改善跟隨的控制效果，我們設(shè)計了基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制。從軌跡跟隨的實作結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在運動滯回減少效果上有著顯著的改善，且參數(shù)的變動、噪聲、交叉耦合的干擾和摩擦力等因素幾乎無法對于運動系統(tǒng)效果造成影響，故基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制能有效的增進系統(tǒng)的控制效能，并進一步減少系統(tǒng)對于不確定性的影響程度，因此電機的位置與速度控制可以獲得較好的動態(tài)特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制方法，該方法建立在觀測器的基礎(chǔ)上，在觀測器的設(shè)計上也以誤差最小為其調(diào)整函數(shù)，從而能獲得更好的控制效能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制方法，提供一超聲波電機伺服控制系統(tǒng)，包括基座和設(shè)于基座上的超聲波電機，所述超聲波電機一側(cè)輸出軸與光電編碼器相連接，超聲波電機另一側(cè)輸出軸與飛輪慣性負載相連接，所述飛輪慣性負載的輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號輸出端、力矩傳感器的信號輸出端分別接至控制系統(tǒng)；該方法基于觀測器基礎(chǔ)，采用滯回補償控制對系統(tǒng)進行控制，在消除觀測器的動態(tài)誤差同時也使得系統(tǒng)滯回最小，從而能獲得更好的控制效能。

在本發(fā)明一實施例中，所述控制系統(tǒng)包括超聲波電機驅(qū)動控制電路，所述超聲波電機驅(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的相應(yīng)輸入端相連接。

在本發(fā)明一實施例中，該方法具體實現(xiàn)如下，

超聲波電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)方程可以寫為：

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)=A_p{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+\frac{1}{B_P}U\left(t\right)+C_P(T_L+T_f(v\left)\right)---\left(1\right)$

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為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號；

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，則電機的標準模型為下式所示：

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)=A_n{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+B_{n}U\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，A_n為A_p之標準值，B_n為B_P之標準值；

假如產(chǎn)生不確定項，此時控制系統(tǒng)的動態(tài)方程修改成：

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)=A_n{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+B_{n}U\left(t\right)+D\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，C_n為C_P之標準值，△A，△B、△C代表微小變化量，D(t)為總集不確定項，定義為：

$D\left(t\right)=\mathrm{\Δ}A{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+\mathrm{\Δ}BU\left(t\right)+(C_n+\mathrm{\Δ}C)(T_L+T_f(v\left)\right)---\left(4\right)$

此處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；為了消除電機力矩-速度特性的滯回現(xiàn)象造成的影響，使用基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制對其進行控制；

對滯回系統(tǒng)中的觀測器輸出記為并定義實際執(zhí)行機構(gòu)的輸出y，電機的估計輸出為它們的誤差為e₁

$e_1=y-\hat{y}---\left(5\right)$

滯回系統(tǒng)的輸出為τ_pr，滯回觀測器輸出為定義

$e_2={\mathrm{\τ}}_{pr}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(6\right)$

觀測器設(shè)計為：

$\stackrel{\·}{\hat{y}}=\stackrel{\·}{y}+L_1{e}_1---\left(7\right)$

${\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\τ}}}}_{pr}={\tilde{K}}_a\stackrel{\·}{v}-{\hat{F}}_2+L_2{e}_1-K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(8\right)$

式(8)的定義為：

${\tilde{K}}_a=K_a-{\hat{K}}_a---\left(9\right)$

其中，是可測量的電機速度；L₁是與誤差的修正系數(shù)，L₂是e₁的修正系數(shù)，K_a是的修正系數(shù)，為K_a的觀測值，為K_a的觀測值誤差；K_pr是的修正系數(shù)；為控制器實際輸出；

觀測器的誤差動態(tài)是基于以下模型：

${\stackrel{\·}{e}}_1=-L_1{e}_1---\left(10\right)$

${\stackrel{\·}{e}}_2={\tilde{K}}_a\stackrel{\·}{v}-{\tilde{F}}_2-L_1{e}_1+K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(11\right)$

其中，是控制器輸出的估計誤差；

通過滯回觀測器的輸出可知控制信號τ_pd和的誤差為

${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}={\mathrm{\τ}}_{pd}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(12\right)$

信號的微分為

${\stackrel{\·}{\widetilde{\mathrm{\τ}}}}_{pe}={\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}-{\hat{K}}_a\stackrel{\·}{v}+{\hat{F}}_2-L_2{e}_1+K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(13\right)$

滯回補償器設(shè)計為：

$\stackrel{\·}{v}=\widehat{\mathrm{\μ}}\[k_b{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}+{\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}+{\hat{F}}_2+r_p\]---\left(14\right)$

由控制器輸出和補償器輸出誤差的導(dǎo)數(shù)得到：

${\stackrel{\·}{\widetilde{\mathrm{\τ}}}}_{pe}=(1-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}){\mathrm{\τ}}_{pd}-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}{k}_b{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}+(1-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}){\hat{F}}_2-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}{r}_p-L_2{e}_1+K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(15\right)$

此外,補償器的更新規(guī)則μ和參數(shù)被設(shè)計成按照相同的投影算符進行運算：

$\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\μ}}}=proj(\widehat{\mathrm{\μ}},\mathrm{\η}\·{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}\[{\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}+{\hat{F}}_2+r_p\])---\left(16\right)$

投影算符proj的定義為：

式中,Y_d為給定的跟蹤信號，r_p為給定的跟蹤信號與輸出信號之間誤差的一階濾波值，β為濾波系數(shù)；

更新參數(shù)的規(guī)則如下

${\stackrel{\·}{\hat{K}}}_a=proj({\hat{K}}_a,\mathrm{\γ}\widehat{\mathrm{\μ}}\·{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}\[{\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}+{\hat{F}}_2+r_p\]+\stackrel{\·}{v}\·{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe})---\left(18\right)$

γ為系統(tǒng)定義的參數(shù)；

因此，自適應(yīng)控制器和控制參數(shù)的更新規(guī)則為：

${\mathrm{\τ}}_{pd}=k_{pd}{r}_p+Y_d^T{\widehat{\mathrm{\θ}}}_p---\left(19\right)$

${\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}_p={\mathrm{proj}}_{{\widehat{\mathrm{\θ}}}_p}({\widehat{\mathrm{\θ}}}_p,{\mathrm{\βY}}_d{r}_p)---\left(20\right)$

通過上述過程，即可獲得基于觀測器的超聲波電機伺服控制器來控制電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。

在本發(fā)明一實施例中，所述基于觀測器的超聲波電機伺服控制器設(shè)于所述控制芯片電路中。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明方法使得系統(tǒng)在運動跟蹤效果上有著顯著的改善且參數(shù)的變動、噪聲、交叉耦合的干擾和摩擦力等因素幾乎無法對于運動系統(tǒng)效果造成影響，本發(fā)明方法通過將整個控制器的系統(tǒng)建立在觀測器的基礎(chǔ)上，在觀測器的設(shè)計上也以誤差最小為其調(diào)整函數(shù)，從而能獲得更好的控制效能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實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-超聲波電機輸出軸，4-超聲波電機，5-超聲波電機固定支架，6-超聲波電機輸出軸，7-飛輪慣性負載，8-飛輪慣性負載輸出軸，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-超聲波電機驅(qū)動控制電路。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體說明。

本發(fā)明的基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制方法，提供一超聲波電機伺服控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括基座12和設(shè)于基座12上的超聲波電機4，所述超聲波電機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與飛輪慣性負載7相連接，所述飛輪慣性負載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控制系統(tǒng)。上述超聲波電機4、光電編碼器1、力矩傳感器10分別經(jīng)超聲波電機固定支架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)包括超聲波電機驅(qū)動控制電路29，所述超聲波電機驅(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，對超聲波電機輸出A、B兩相PWM的頻率、相位及通斷進行控制。通過開通及關(guān)斷PWM波的輸出來控制超聲波電機的啟動和停止運行；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)電機的最佳運行狀態(tài)。

本發(fā)明的基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制方法，基于觀測器基礎(chǔ)，采用滯回補償控制對系統(tǒng)進行控制，在消除觀測器的動態(tài)誤差同時也使得系統(tǒng)滯回最小，從而能獲得更好的控制效能，該方法具體實現(xiàn)如下，

超聲波電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)方程可以寫為：

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)=A_p{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+\frac{1}{B_P}U\left(t\right)+C_P(T_L+T_f(v\left)\right)---\left(1\right)$

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為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號；

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，則電機的標準模型為下式所示：

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)=A_n{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+B_{n}U\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，A_n為A_p之標準值，B_n為B_P之標準值；

假如產(chǎn)生不確定項，此時控制系統(tǒng)的動態(tài)方程修改成：

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)=A_n{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+B_{n}U\left(t\right)+D\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，C_n為C_P之標準值，△A，△B、△C代表微小變化量，D(t)為總集不確定項，定義為：

$D\left(t\right)=\mathrm{\Δ}A{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+\mathrm{\Δ}BU\left(t\right)+(C_n+\mathrm{\Δ}C)(T_L+T_f(v\left)\right)---\left(4\right)$

此處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；為了消除電機力矩-速度特性的滯回現(xiàn)象造成的影響，使用基于觀測器的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)滯回補償控制對其進行控制；

對滯回系統(tǒng)中的觀測器輸出記為并定義實際執(zhí)行機構(gòu)的輸出y，電機的估計輸出為它們的誤差為e₁

$e_1=y-\hat{y}---\left(5\right)$

滯回系統(tǒng)的輸出為τ_pr，滯回觀測器輸出為定義

$e_2={\mathrm{\τ}}_{pr}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(6\right)$

觀測器設(shè)計為：

$\stackrel{\·}{\hat{y}}=\stackrel{\·}{y}+L_1{e}_1---\left(7\right)$

${\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\τ}}}}_{pr}={\tilde{K}}_a\stackrel{\·}{v}-{\hat{F}}_2+L_2{e}_1-K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(8\right)$

式(8)的定義為：

${\tilde{K}}_a=K_a-{\hat{K}}_a---\left(9\right)$

其中，是可測量的電機速度；L₁是與誤差的修正系數(shù)，L₂是e₁的修正系數(shù)，K_a是的修正系數(shù)，為K_a的觀測值，為K_a的觀測值誤差；K_pr是的修正系數(shù)；為控制器實際輸出；

觀測器的誤差動態(tài)是基于以下模型：

${\stackrel{\·}{e}}_1=-L_1{e}_1---\left(10\right)$

${\stackrel{\·}{e}}_2={\tilde{K}}_a\stackrel{\·}{v}-{\tilde{F}}_2-L_1{e}_1+K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(11\right)$

其中，是控制器輸出的估計誤差；

通過滯回觀測器的輸出可知控制信號τ_pd和的誤差為

${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}={\mathrm{\τ}}_{pd}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(12\right)$

信號的微分為

${\stackrel{\·}{\widetilde{\mathrm{\τ}}}}_{pe}={\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}-{\hat{K}}_a\stackrel{\·}{v}+{\hat{F}}_2-L_2{e}_1+K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(13\right)$

滯回補償器設(shè)計為：

$\stackrel{\·}{v}=\widehat{\mathrm{\μ}}\[k_b{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}+{\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}+{\hat{F}}_2+r_p\]---\left(14\right)$

由控制器輸出和補償器輸出誤差的導(dǎo)數(shù)得到：

${\stackrel{\·}{\widetilde{\mathrm{\τ}}}}_{pe}=(1-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}){\mathrm{\τ}}_{pd}-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}{k}_b{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}+(1-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}){\hat{F}}_2-{\hat{K}}_a\widehat{\mathrm{\μ}}{r}_p-L_2{e}_1+K_{pr}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{pr}---\left(15\right)$

此外,補償器的更新規(guī)則μ和參數(shù)被設(shè)計成按照相同的投影算符進行運算：

$\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\μ}}}=proj(\widehat{\mathrm{\μ}},\mathrm{\η}\·{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}\[{\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}+{\hat{F}}_2+r_p\])---\left(16\right)$

投影算符proj的定義為：

式中,Y_d為給定的跟蹤信號，r_p為給定的跟蹤信號與輸出信號之間誤差的一階濾波值，β為濾波系數(shù)；

更新參數(shù)的規(guī)則如下

${\stackrel{\·}{\hat{K}}}_a=proj({\hat{K}}_a,\mathrm{\γ}\widehat{\mathrm{\μ}}\·{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe}\[{\stackrel{\·}{\mathrm{\τ}}}_{pd}+{\hat{F}}_2+r_p\]+\stackrel{\·}{v}\·{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{pe})---\left(18\right)$

γ為系統(tǒng)定義的參數(shù)；

因此，自適應(yīng)控制器和控制參數(shù)的更新規(guī)則為：

${\mathrm{\τ}}_{pd}=k_{pd}{r}_p+Y_d^T{\widehat{\mathrm{\θ}}}_p---\left(19\right)$

${\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}_p={\mathrm{proj}}_{{\widehat{\mathrm{\θ}}}_p}({\widehat{\mathrm{\θ}}}_p,{\mathrm{\βY}}_d{r}_p)---\left(20\right)$

通過上述過程，即可獲得基于觀測器的超聲波電機伺服控制器來控制電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度；所述基于觀測器的超聲波電機伺服控制器設(shè)于所述控制芯片電路中。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。