一種電動伺服系統(tǒng)及其控制算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種電動伺服系統(tǒng)及其控制算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動伺服系統(tǒng)因控制方法靈活、效率高、運行可靠度高得到了廣泛應(yīng)用，考慮到實 現(xiàn)成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性，電動伺服系統(tǒng)經(jīng)常采用圖1所示的控制方式，即反饋信號直接從驅(qū) 動端引出，系統(tǒng)為半閉環(huán)結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用過程中，伺服機構(gòu)往往存在負載慣量大、結(jié)構(gòu)剛 度低、低阻巧和存在機械間隙等問題。慣量大和剛度低導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)諧振劇烈且諧振頻率 低；機械間隙導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)滯后嚴重，且可能存在極限環(huán)，系統(tǒng)負載容易發(fā)生高頻振蕩。
[0003] 電動伺服系統(tǒng)常用的控制算法，如超前滯后、經(jīng)典PID等方法一般基于系統(tǒng)的開 環(huán)頻率特性，通過構(gòu)造具有特定頻率特性的環(huán)節(jié)來補償原有系統(tǒng)的頻率特性，控制參數(shù)一 旦寫進控制電路就不再改變。對于特性較復(fù)雜，性能指標較高的電動伺服系統(tǒng)，使用上述常 規(guī)方法難W得到滿意性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種電動伺服系統(tǒng)及其控制算法，通過設(shè)置第一比較器、 位置控制部件、第二比較器及電流控制部件，對電動伺服系統(tǒng)進行"位置/電流雙閉環(huán)+特 定區(qū)段積分+陷波濾波器"算法，并提供陷波濾波器的精確調(diào)試公式，經(jīng)試驗驗證本發(fā)明能 夠有效抑制系統(tǒng)的諧振峰、消除了因間隙造成的極限環(huán)，因此本發(fā)明具有很高的工程應(yīng)用 價值。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] 一種電動伺服系統(tǒng)，電動伺服機構(gòu)為該電動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行部件，該電動伺服機 構(gòu)的輸出端與外部負載連接，其特點是，該電動伺服系統(tǒng)包含：
[0007] 第一比較器，所述第一比較器的第一輸入端獲取輸入擺角指令；
[000引位置控制部件，與所述第一比較器連接；
[0009] 第二比較器，所述第二比較器的第一輸入端與所述位置控制部件的輸出端連接；
[0010] 電流控制部件，所述電流控制部件的輸入端與所述第二比較器的輸出端連接，該 電流控制部件的輸出端與所述電動伺服機構(gòu)連接。
[0011] 優(yōu)選地，所述位置控制部件包含：
[0012] 位置比例/積分計算單元，所述位置比例/積分計算單元的輸入端與所述第一比 較器的輸出端連接；
[0013] 陷波濾波器，所述陷波濾波器的輸入端與位置比例/積分計算單元的輸出端連 接，該陷波濾波器的輸出端與所述第二比較器的第一輸入端連接；
[0014] 位置反饋處理單元，所述位置反饋處理單元的輸入端與所述電動伺服機構(gòu)的輸出 端連接，該位置反饋處理單元的輸出端與所述第一比較器的第二輸入端連接。
[0015] 優(yōu)選地，所述電流控制部件包含：
[0016] 電流比例計算單元，所述電流比例計算單元的輸入端與所述第二比較器的輸出端 連接，該電流比例計算單元的輸出端與所述電動伺服機構(gòu)的輸入端連接；
[0017] 電流反饋處理單元，所述電流反饋處理單元的輸入端與所述電動伺服機構(gòu)的輸出 端連接，該電流反饋處理單元的輸出端與所述第二比較器的第二輸入端連接。
[001引一種電動伺服系統(tǒng)的控制算法，其特點是，該控制算法包含如下步驟：
[0019] S1，第一比較器獲取并處理電動伺服系統(tǒng)的輸入擺角指令、位置反饋信號，位置控 制部件對該電動伺服系統(tǒng)進行位置閉環(huán)控制計算；
[0020] S2,第二比較器、電流控制部件根據(jù)位置環(huán)控制輸出信號、電動伺服機構(gòu)電流信號 進行電流閉環(huán)控制計算，并將計算結(jié)果發(fā)送至負載。
[0021] 優(yōu)選地，所述步驟S1包含：
[0022] S1. 1，初始化電動伺服系統(tǒng)，外部第一計時器啟動計時，第一比較器完成位置信息 義樣；
[0023] S1. 2,采用第一比較器計算輸入擺角指令與位置反饋角度信號的誤差，判斷是否 需要進行積分計算；當需要時，對上述誤差結(jié)果進行比例、積分計算；當不需要時，對上述 誤差結(jié)果進行比例計算；
[0024] S1. 3,將所述步驟S1. 2的計算結(jié)果發(fā)送至陷波濾波器進行陷波濾計算獲取位置 環(huán)控制輸出信號。
[0025] 優(yōu)選地，所述步驟S1. 1中，位置反饋處理單元獲取電動伺服機構(gòu)輸出的位置反饋 信號，并將該位置反饋信號進行處理，將處理后的位置反饋信號發(fā)送至所述第一比較器的 第二輸入端；
[0026] 所述第一比較器判斷輸入擺角指令是否完整輸入到該第一比較器、經(jīng)所述位置反 饋處理單元處理的反饋信號是否完整發(fā)送至所述第一比較器的第二輸入端；
[0027] 當該第一比較器判斷確認輸入擺角指令完整輸入到該第一比較器、經(jīng)所述位置反 饋處理單元處理的反饋信號完整發(fā)送至所述第一比較器的第二輸入端，該第一比較器進行 所述步驟S1. 2 ;否則所述第一比較器（1)繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采樣。
[002引優(yōu)選地，所述步驟S1. 2包含：
[0029] S1. 2. 1，所述第一比較器將輸入擺角指令與位置反饋角度信號的位置誤差計算結(jié) 果6p(k)發(fā)送至位置比例/積分計算單元，當前位置誤差6p(k)據(jù)如下公式計算：
[0030] Gp(k) = 0i(k)-KpfXUf化） （1)
[0031] 其中，0i(k)為當前時刻位置輸入擺角指令；Kpf為位置反饋系數(shù)；Uf(k)為當前時 刻位置反饋電壓值。
[0032] S1. 2. 2,所述位置比例/積分計算單元判斷上述位置誤差計算結(jié)果ep是否在積分 區(qū)間內(nèi)；
[0033] 當在積分區(qū)間內(nèi)時，該位置比例/積分計算單元對上述計算結(jié)果進行根據(jù)如下公 式進行比例、積分計算：
[0034] U口化）=KpX6p化)+町XX6p化） （2)
[00對其中，Kp為位置環(huán)比例系數(shù)；K巧位置環(huán)積分系數(shù)；6p(k)為位置誤差值；Sep似 為位置誤差的累加值；并將計算結(jié)果發(fā)送至所述陷波濾波器；
[0036] 當上述計算結(jié)果不屬于積分區(qū)間時，該位置比例/積分計算單元根據(jù)如下公式進 行比例計算：
[0037] U口化）=KpXe。化）（3)
[003引其中，Up,似為當前時刻經(jīng)比例運算后的輸出值追接將所述步驟S1. 2. 1獲取的 比例計算結(jié)果發(fā)送至所述陷波濾波器。
[0039] 優(yōu)選地，所述步驟S1. 3中；所述陷波濾波器獲取所述位置比例/積分計算單元發(fā) 送的計算結(jié)果，并根據(jù)下式進行計算：
[0040] Upc似=Ki?U口似 +馬?U口化-1) +K3?U口化-2) (4)
[00川 +K4 ?Upc(k-1)+Ks?Upc化-2)
[00創(chuàng)其中，Up,化)、Up,化-1)、Up,(k-。分別是當前時亥IJ、前一時亥IJ、前二時刻的經(jīng)比例/ 積分運算后的輸出值；ep化-1)是前一時刻的位置誤差值；Up。化)、Up。化-l)、Up?；?2)分別是 當前時刻、前一時刻、前二時刻的位置環(huán)控制輸出值；
[0043] 將該陷波濾波器（22)的計算結(jié)果發(fā)送至所述第二比較器（3)，W參與電
[0044] 流控制部件的電流誤差計算，執(zhí)行所述步驟S2 ;
[0045] 同時外部第一計數(shù)器判斷是否達到位置環(huán)控制周期，當?shù)竭_位置環(huán)控制周期后， 重新執(zhí)行所述步驟S1. 1~S1. 3。優(yōu)選地，所述步驟S2包含：
[0046] S2. 1，外部第二計數(shù)器啟動計時，完成電流信息采樣；
[0047] S2. 2,采用第二比較器計算位置控制信號與采樣獲取的電流反饋信號的誤差結(jié)果 e;似，電流誤差e;似據(jù)如下公式計算：
[0048] e;化）=Upc化）-K" X Im化）（5)
[0049] 其中，Up。似為當前時刻電流環(huán)控制輸入值；K"為電流反饋系數(shù)；Im(k)為當前時 刻電動伺服機構(gòu)巧）電流值；
[0化0] S2. 3,將所述第二比較器的計算誤差結(jié)果6i(k)發(fā)送至電流比例計算單元進行如 下式的比例計算：
[0051 ] Uic化）=Kpi ? (Upc化)-K" X Im化)）化）
[005引其中，恥似為當前時刻電流環(huán)控制輸出值；Kpi為電流環(huán)比例系數(shù)；UpE(k)為當前 時刻電流環(huán)控制輸入值；K"為電流反饋系數(shù)；Im(k)為當前時刻電動伺服機構(gòu)電流值； [0化3] 并將計算結(jié)果發(fā)送至電動伺服機構(gòu)，W實現(xiàn)對電動伺服機構(gòu)進行控制；同時外部 第二計數(shù)器判斷是否到達電流環(huán)控制周期，當?shù)竭_時，重新執(zhí)行所述步驟S2. 1~S2. 3。 [0化4] 優(yōu)選地，所述步驟S2. 1中，所述電流反饋處理單元獲取電動伺服機構(gòu)輸出的反饋 信號，并將該反饋信號進行處理，將處理后的反饋信