CN103208958A - 一种直流伺服驱动控制*** - Google Patents

Abstract

一种直流伺服驱动控制***，由数据采集电路、DSP中央处理器和PWM功率输出电路组成，其DSP中央处理器中包括二阶自抗扰控制器和PI控制器。所述的DSP中央处理器的输入端接收上位机传送的速度给定值和外部传感器反馈的直流伺服电动机速度反馈值、电流反馈值，经DSP中央处理器处理后，输出至PWM功率输出电路，PWM功率输出电路的输出端连接至所述直流伺服驱动控制***的控制对象直流伺服电动机。所述的数据采集电路的输入端连接外部传感器，数据采集电路的输出端连接DSP中央处理器的输入端，外部传感器采集的直流伺服电动机的数据经由数据采集电路送入DSP中央处理器处理后，传送至PWM功率输出电路，由PWM功率输出电路输出控制信号控制直流伺服电动机。

Description

一种直流伺服驱动控制***

技术领域

本发明涉及一种基于自抗扰控制器的直流伺服驱动控制***。

背景技术

某些应用场合的直流伺服驱动***要求控制***具有动态响应速度快、稳定精度高和抗负载及参数扰动能力强等特点，例如风电机组电动变桨伺服驱动***。在伺服驱动***中，执行电动机电枢绕组的电阻值和电感值易受温度影响，不同生产厂家提供的电机参数也存有差异，这些因素的影响会降低常规PID闭环控制***性能。常规PID控制器虽能够满足稳态精度高、动态响应快的要求，但在抗负载及电机参数扰动能力方面较差。

现有技术的伺服驱动控制***的结构如图2所示，由数据采集电路、DSP中央处理器和PWM功率输出电路组成，其DSP中央处理器中包括两个PI控制器，其中一个是转速环PI控制器，另一个是电流环PI控制器。这样的控制***结构能满足稳态精度高、动态响应快的要求，但对于被控对象参数扰动、负载波动等因素造成的控制***效果变差方面，缺乏一定的抗扰动能力。

中国专利CN201039069Y、CN102811015A和CN101499769A，以及《基于自抗扰控制器的直流双闭环调速***》（徐晗,徐宇,刘德君.[J].化工技术,2004,06(12):42-44）的主要思路是将自抗扰控制器直接或简化改造后应用于控制***，具有响应速度快、抗扰动能力强等特点，控制对象大多为交流电机或励磁装置等，少数几篇涉及直流电机的文章也只停留于仿真研究阶段，较少涉及高性能要求的直流伺服驱动控制***的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有常规PID控制技术的不足，结合自抗扰控制器的优点，提供一种基于自抗扰控制器的直流伺服驱动控制***。本发明利用自抗扰控制器对直流伺服驱动控制***总扰动量，即外部负载扰动和内部参数扰动，进行实时估计并通过反馈进行补偿控制，可以减少外部扰动和内部扰动对控制***性能的影响，获得快速、无超调、高精度、强鲁棒性的良好控制效果。

本发明的技术方案如下：

一种基于自抗扰控制器的直流伺服驱动控制***，其特征在于该***主要由数据采集电路、DSP中央处理器和PWM功率输出电路组成。所述的DSP中央处理器的输入端接收上位机（如PLC或计算机）传送的速度给定值和由外部传感器反馈的直流伺服电动机速度反馈值、电流反馈值，经DSP中央处理器处理后，输出至PWM功率输出电路，PWM功率输出电路的输出端连接至所述直流伺服驱动控制***的控制对象直流伺服电动机。所述的数据采集电路的输入端连接外部传感器，如光电编码器、电流传感器等，光电编码器、电流传感器等外部传感器采集直流伺服电动机的数据，送入所述的数据采集电路。数据采集电路的输出端连接DSP中央处理器的输入端，外部传感器采集的直流伺服电动机的数据经由数据采集电路送入DSP中央处理器处理后，传送至PWM功率输出电路，由PWM功率输出电路输出控制信号控制直流伺服电动机。

所述的数据采集电路主要包括信号预处理电路和A/D转换模块。信号预处理电路包括开关量预处理电路与模拟量预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，通过光电隔离器件与来自接触器、继电器等器件的外部开关量信号耦合连接，将开关量信号转换成数字信号输入DSP中央处理器。模拟量预处理电路将包括直流伺服电动机的电流和电压两种基本模拟量在内的输入信号预处理成A/D转换模块能够接收的电信号。模拟量预处理电路连接A/D转换模块，将预处理完的模拟信号经由A/D模块转换成数字信号传送至DSP中央处理器。

所述的DSP中央处理器采用的是TI公司生产的TMS320F28335型号芯片，该芯片具有运行速度快、运行稳定的特点，可以大大提高控制***的响应速度。所述的DSP中央处理器包括二阶自抗扰控制器和PI控制器，二阶自抗扰控制器完成直流伺服驱动控制***转速环的运算，PI控制器完成直流伺服驱动控制***电流环的运算。

所述的PWM功率输出电路由信号驱动放大电路和IGBT整流电路构成。由DSP中央处理器输出的PWM控制信号经信号驱动放大电路进行功率放大，输出给IGBT整流电路中的IGBT单元，控制相应IGBT单元中的IGBT的通断，从而控制直流伺服电动机的电枢电压。

所述的二阶自抗扰控制器是由跟踪-微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性误差反馈控制律（NLSEF）三个部分直接连接构成的一种非线性控制器。跟踪-微分器（TD）用于安排过渡过程，跟踪所述的直流伺服驱动控制***输入端的给定信号及其微分量。扩张状态观测器（ESO）用于观测所述的直流伺服驱动控制***输出端的输出信号及其微分量，并估计所述的直流伺服驱动控制***的总扰动量。将跟踪-微分器（TD）输出的输入信号及其微分量与扩张状态观测器（ESO）反馈的输出信号及其微分量分别做差运算，在非线性误差反馈控制律（NLSEF）中对上述两次做差运算分别得到的结果进行非线性组合控制。对非线性误差反馈控制律的输出量与扩张状态观测器反馈回来的总扰动量进行做差运算，并将此做差运算结果除以自抗扰控制器参数整定值b0作补偿控制，补偿后的控制信号由二阶自抗扰控制器的输出端连接至PI控制器的输入端，经PI控制器运算后的结果输出至PWM功率输出电路的输入端。

所述的PI控制器采用带抗积分饱和的常规PI控制器构成，具有响应速度快、输出量限幅的特点。

所述的二阶自抗扰控制器在DSP中央处理器中实现方法如下述；

本发明直流伺服驱动控制***读入上位机（如PLC或计算机）通信传输的转速给定值和外部传感器传送的转速反馈值；然后分别由跟踪-微分器（TD）做运算来跟踪转速给定值及其微分信号，由扩张状态观测器（ESO）做运算来跟踪转速反馈值及其微分信号，并估计出直流伺服驱动控制***的总扰动量；最后对转速给定值与转速反馈值做差运算得到的结果和转速给定值与转速反馈值这两个信号的微分信号做差运算得到的结果进行非线性控制运算，并对总扰动量进行补偿控制，输出最终的控制量信号。

针对二阶自抗扰控制器中非线性函数不易在DSP中央处理器中实现的难点，所述的二阶自抗扰控制器采用数据链表查表方法，该方法具有容易实现、DSP占用率低、执行效率高的特点。非线性函数的表达式为：

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\frac{e}{{\mathrm{\δ}}^{\mathrm{\α}-1}},\left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\\ {\left|e\right|}^{\mathrm{\α}}\·\mathrm{sign}\left(e\right),\left|e\right|>\mathrm{\δ}\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0$

式中，e表示误差值，δ和α为自抗扰控制器参数。在参数δ和α整定完成之后，可以建立一个给定与反馈信号误差值err和误差绝对值的指数值|err|^α的数据链表，通过查表来实现非线性函数的功能。误差的绝对值大于1时，可以通过取倒数的方法将其限制在区间（0,1）内，然后逐点查表计算。在相邻两点之间采取线性插值来提高精度，插值运算按常规线性插值方法

处理，式中（x₁,y₁）和（x₂,y₂）是相邻两点的坐标值，x表示横坐标值，y表示纵坐标值。

本发明将二阶自抗扰控制器应用于DSP中央处理器中直流伺服驱动控制***转速环。考虑快速性要求，直流伺服驱动控制***电流环采用PI控制器。首先由数据采集电路完成信号和数据采集工作；在DSP中央处理器中，由二阶自抗扰控制器根据转速给定值和转速反馈值进行控制，可以对直流伺服驱动控制***的总扰动量，即外部负载扰动和内部参数扰动进行实时估计，并通过反馈进行补偿控制，能够获得快速、无超调、高精度、强鲁棒性的良好控制效果。直流伺服驱动控制***转速环的输出值作为电流环的给定，与电流反馈值做差运算并进行PI控制，最后输出控制量并生成PWM控制信号；PWM控制信号经PWM功率输出电路完成IGBT整流电路中的IGBT单元的驱动控制，实现对电动机电枢电压的控制，最终实现对直流伺服电动机的灵活控制目标。

本发明的优越性在于：1.将自抗扰控制器应用于直流伺服驱动控制***转速环控制，具有转速输出无超调、响应速度快、控制精度高、抗电机参数及负载扰动能力强的优点；2.采用数据链表查表的方法实现自抗扰控制器中非线性函数，解决了非线性函数在DSP数字处理器中不易实现的问题，提高了程序的执行效率；3.采用高速浮点型DSP控制芯片TMS320F28335，运行速度快、运行稳定，可以大大提高控制***的响应速度，满足自抗扰控制器运算量大的特点；4.直流伺服驱动控制***核心算法在于自抗扰控制器的DSP软件实现，不需要改变原有直流伺服驱动控制***的硬件结构。

附图说明

图1本发明基于自抗扰控制器的直流伺服驱动控制***框图；

图2现有技术直流伺服驱动控制***框图；

图3二阶自抗扰控制器结构框图；

图4本发明二阶自抗扰控制器DSP算法流程图；

图5本发明二阶自抗扰控制器数据链表查表方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明基于自抗扰控制器的直流伺服驱动控制***。该***主要由数据采集电路、DSP中央处理器和PWM功率输出电路组成。所述的基于自抗扰控制器的直流伺服驱动控制***的DSP中央处理器的输入端接收上位机（如PLC或计算机）速度给定值和外部传感器反馈回来的直流伺服电动机速度反馈值、电流反馈值，经DSP中央处理器处理后，输出至PWM功率输出电路，PWM功率输出电路的输出端连接至所述直流伺服驱动控制***的控制对象直流伺服电动机。所述的数据采集电路的输入端连接外部传感器，如光电编码器、电流传感器等，光电编码器、电流传感器等外部传感器采集直流伺服电动机的数据，送入所述的数据采集电路。数据采集电路的输出端连接DSP中央处理器的输入端，外部传感器采集的直流伺服电动机的数据经DSP中央处理器处理后，传送至PWM功率输出电路，PWM功率输出电路输出控制信号控制直流伺服电动机。

所述的数据采集电路主要包括信号预处理电路和A/D转换模块。信号预处理电路包括开关量预处理电路与模拟量的预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，通过光电隔离器件与来自接触器、继电器等器件的外部开关量信号耦合连接，将开关量信号转换成数字信号输入DSP中央处理器。模拟量预处理电路将包括直流伺服电动机的电流和电压两种基本模拟量在内的输入信号预处理成A/D转换模块能够接收的电信号。模拟量预处理电路连接A/D转换模块，将预处理完的模拟信号经由A/D模块转换成数字信号传送至DSP中央处理器。

所述的DSP中央处理器采用的是TI公司生产的TMS320F28335型号芯片，该芯片具有运行速度快、运行稳定的特点，可以大大提高控制***的响应速度。所述的DSP中央处理器包括二阶自抗扰控制器和PI控制器，二阶自抗扰控制器完成直流伺服驱动控制***转速环的运算，PI控制器完成直流伺服驱动控制***电流环的运算。

所述说的PWM功率输出电路是由信号驱动放大电路和IGBT整流电路构成。由DSP输出的PWM控制信号经信号驱动放大电路进行功率放大，输出给IGBT整流电路中的IGBT单元，控制相应IGBT单元中的IGBT的通断，从而控制直流伺服电动机的电枢电压。

所述的二阶自抗扰控制器是由跟踪-微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性误差反馈控制律（NLSEF）三个部分按图3所示直接连接构成的一种非线性控制器。跟踪-微分器（TD）用于安排过渡过程，跟踪所述的直流伺服驱动控制***输入端的给定信号及其微分量，跟踪结果分别为图中的v1和v2；扩张状态观测器（ESO）用于观测所述的直流伺服驱动控制***输出端的输出信号及其微分量，跟踪结果分别为图中的z1和z2，并估计所述的直流伺服驱动控制***的总扰动量z3；将跟踪-微分器（TD）输出的输入信号及其微分量与扩张状态观测器（ESO）反馈的输出信号及其微分量分别做差运算，在非线性误差反馈控制律（NLSEF）中对两次做差运算分别得到的结果进行非线性组合控制；对非线性误差反馈控制律的输出量u0与扩张状态观测器反馈回来的总扰动量z3进行做差运算，并将此做差运算结果除以自抗扰控制器参数整定值b0作补偿控制，补偿后的控制信号由二阶自抗扰控制器的输出端连接至PI控制器的输入端，经PI控制器运算后的结果输出至PWM功率输出电路的输入端。

所述的PI控制器采用带抗积分饱和的常规PI控制器构成，具有响应速度快、输出量限幅的特点。

所述的二阶自抗扰控制器在DSP中央处理器中实现方法如图4所示：由直流伺服驱动控制***读人上位机（如PLC或计算机）通信传输的转速给定值v*和外部传感器传送的转速反馈值v；当DSP的采样时间到时，分别由跟踪-微分器（TD）和扩张状态观测器（ESO）计算跟踪转速给定值和转速反馈值及它们的微分信号，即图中v1、v2和z1、z2，其中v1、v2分别为转速给定值及其微分信号，z1、z2分别为转速反馈值及其微分信号，并估计出总扰动量z3；然后做差计算转速给定值与转速反馈值的误差及它们的微分信号的误差，并对这两个分别计算的误差结果进行非线性控制运算，输出控制分量u0；最后对总扰动量z3进行补偿控制，输出最终的控制量信号u。

针对二阶自抗扰控制器中非线性函数不易在DSP中央处理器中实现的难点，所述的二阶自抗扰控制器采用数据链表查表方法，实现其非线性函数的功能，数据链表查表方法如图5示。该方法具有容易实现、DSP占用率低、执行效率高的特点。非线性函数的表达式为：

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\frac{e}{{\mathrm{\δ}}^{\mathrm{\α}-1}},\left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\\ {\left|e\right|}^{\mathrm{\α}}\·\mathrm{sign}\left(e\right),\left|e\right|>\mathrm{\δ}\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0$

式中，e表示误差值，δ和α为自抗扰控制器参数。在参数δ和α整定完成之后，可以建立一个给定与反馈信号误差值err和误差绝对值的指数值|err|^α的数据链表，通过查表来实现非线性函数的功能。误差的绝对值大于1时，可以通过取倒数的方法将其限制在区间（0,1）内，然后逐点查表计算。在相邻两点之间采取线性插值来提高精度，插值运算按常规线性插值方法

处理，式中（x₁,y₁）和（x₂,y₂）是相邻两点的坐标值，x表示横坐标值，y表示纵坐标值。图5所示的流程图具体执行过程是：首先对输入的误差信号求绝对值“err_abs”，根据表达式的分段函数区间，判断“err_abs”所在的区间，若小于整定参数delt，直接进行除法运算并返回计算结果，其中的“da”为该函数外部计算完成的常数值；否则，判断“err_abs”是否小于1，若是小于1，那么直接进行查表、插值运算，乘以符号判断函数的结果值，返回计算结果；若不小于1，先将该误差值求倒数，转换成（0,1）之间的数，然后进行查表、插值运算，乘以符号判断函数的结果值，并将计算结果再次求倒数，返回计算结果。

Claims (6)

1.一种直流伺服驱动控制***，其特征在于所述的***主要由数据采集电路、DSP中央处理器和PWM功率输出电路组成；所述的DSP中央处理器的输入端接收上位机传送的速度给定值和外部传感器反馈的直流伺服电动机速度反馈值、电流反馈值，经DSP中央处理器处理后，输出至PWM功率输出电路，PWM功率输出电路的输出端连接至所述直流伺服驱动控制***的控制对象直流伺服电动机；所述的数据采集电路的输入端连接外部传感器，外部传感器采集的直流伺服电动机的数据送入所述的数据采集电路；数据采集电路的输出端连接DSP中央处理器的输入端，外部传感器采集的直流伺服电动机的数据经由数据采集电路送入DSP中央处理器处理后，传送至PWM功率输出电路，由PWM功率输出电路输出控制信号控制直流伺服电动机。

2.如权利要求1所述的直流伺服驱动控制***，其特征在于所述的数据采集电路主要包括信号预处理电路和A/D转换模块；所述的信号预处理电路包括开关量预处理电路与模拟量预处理电路，开关量预处理电路通过光电隔离器件与来自接触器、继电器等器件的外部开关量信号耦合连接，将开关量信号转换成数字信号输入DSP中央处理器；模拟量预处理电路将包括直流伺服电动机的电流和电压两种基本模拟量在内的输入信号预处理成A/D转换模块能够接收的电信号；模拟量预处理电路连接A/D转换模块，将预处理完的模拟信号经由A/D模块转换成数字信号传送至DSP中央处理器。

3.如权利要求1所述的直流伺服驱动控制***，其特征在于所述的DSP中央处理器包括二阶自抗扰控制器和PI控制器，二阶自抗扰控制器完成直流伺服驱动控制***转速环的运算，PI控制器完成直流伺服驱动控制***电流环的运算。

4.如权利要求3所述的直流伺服驱动控制***，其特征在于所述的二阶自抗扰控制器是由跟踪-微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性误差反馈控制律（NLSEF）三个部分直接连接构成的一种非线性控制器；跟踪-微分器（TD）用于安排过渡过程，跟踪所述的直流伺服驱动控制***输入端的给定信号及其微分量；扩张状态观测器（ESO）用于观测所述的直流伺服驱动控制***输出端的输出信号及其微分量，并估计所述的直流伺服驱动控制***的总扰动量；将跟踪-微分器（TD）输出的输入信号及其微分量与扩张状态观测器（ESO）反馈的输出信号及其微分量分别做差运算，在非线性误差反馈控制律（NLSEF）中对两次做差运算分别得到的结果进行非线性组合控制；对非线性误差反馈控制律的输出量与扩张状态观测器反馈的直流伺服驱动控制***的总扰动量进行做差运算，并将此做差运算结果除以自抗扰控制器参数整定值b0作补偿控制，补偿后的控制信号由二阶自抗扰控制器的输出端连接至PI控制器的输入端，经PI控制器运算后的结果输出至PWM功率输出电路的输入端。

5.如权利要求3或4所述的直流伺服驱动控制***，其特征在于所述的二阶自抗扰控制器采用数据链表查表的方法实现其非线性函数的功能；非线性函数的表达式为：

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\frac{e}{{\mathrm{\δ}}^{\mathrm{\α}-1}},\left|e\right|\≤\mathrm{\δ}\\ {\left|e\right|}^{\mathrm{\α}}\·\mathrm{sign}\left(e\right),\left|e\right|>\mathrm{\δ}\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0$

式中，e表示误差值，δ和α为自抗扰控制器参数。在参数δ和α整定完成之后，建立一个给定与反馈信号误差值err和误差绝对值的指数值|err|^α的数据链表，通过查表来实现非线性函数的功能；误差的绝对值大于1时，可以通过取倒数的方法将其限制在区间（0,1）内，然后逐点查表计算。在相邻两点之间采取线性插值来提高精度，插值运算按常规线性插值方法

处理，式中（x₁,y₁）和（x₂,y₂）是相邻两点的坐标值，x表示横坐标值，y表示纵坐标值。

6.如权利要求1所述的直流伺服驱动控制***，其特征在于所述的PWM功率输出电路由信号驱动放大电路和IGBT整流电路构成；由DSP中央处理器输出的PWM控制信号经信号驱动放大电路进行功率放大，输出给IGBT整流电路中的IGBT单元，控制相应IGBT单元中的IGBT的通断，从而控制直流伺服电动机的电枢电压。

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