CN103224022A - 用于双y型无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于双Y型无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法及装置，舵机驱动控制器接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过滑模控制方法解算，驱动双Y型绕组无刷直流电机工作，力矩通过传动齿轮组施加在受控舵面，使舵面按照给定的舵面位置信号进行动作。本发明平衡电机两套绕组电流，解决力纷争问题，同时提高舵***的可靠性。

Description

用于双Y型无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于双余度无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法和驱动装置。背景技术

无刷直流电动舵机具有体积小、可靠性高、性能优良的特点，在飞行器舵机***中得到了广泛的应用。目前，舵机余度控制***发展迅速，目前的成果有：公开号为CN101799689A的专利《双余度舵机控制器》采用双余度设计，但仅对功率驱动电路进行了双余度设计，出力电机仍为单余度电机，其***可靠性有待提高；公开号为CN202632110U的专利《一种双余度舵机***》也采用双余度设计，但是，其更侧重对***的故障诊断与隔离，对于电机控制方法，依然采用经典的PID控制，控制精度不高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于双Y型无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法及装置，提高舵***的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，控制器分别采集电机转速ω_r、电机绕组1电流反馈信号i₁及电机绕组2电流反馈信号i₂，转至第二步。

第二步，经速度观测器：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}}_r=\frac{C_{T1}}{J}{i}_1+\frac{C_{T2}}{J}{i}_2-\frac{1}{J}{\hat{T}}_L-\frac{B}{J}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r+c_1({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\\ {\stackrel{\·}{\hat{T}}}_L=c_2({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\end{array}\right.$

得电机转速微分

和转矩观测值微分其中，C_T1为电机绕组1转矩常数，C_T2为电机绕组2转矩常数，J为电机转动惯量，为负载力矩观测值，

为电机转速观测值，c₁为观测器系数（0＜c₁＜100000），c₂为观测器系数（-50000＜c₁＜0）。转至第三步

第三步，计算观测的电机位置

转至第四步。

第四步，建立灰色模型GM(1,1)：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b

得出***相应的白化方程为：

$\frac{x^{\left(1\right)}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}\left(t\right)=b$

其中，参数-a为发展系数，反映了灰色***GM(1,1)的发展态势，参数b为灰色作用量，是从背景值中发掘出来的的数据。

连续采集t-4,...,t时刻计算观测的电机位置

构成非负序列 $X^{\left(0\right)}=(\widehat{\mathrm{\θ}}(t-4),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-3),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-2),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-1),\widehat{\mathrm{\θ}}\left(t\right)).$

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))

其中，

k＝1,2.,.；转至第五步。

第五步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))，其中， $z^{\left(1\right)}\left(k\right)=\frac{1}{2}(x^{\left(1\right)}\left(k\right)+x^{\left(1\right)}(k-1)),$ k＝2,…，5；转至第六步。

第六步，计算中间矩阵Y，B^T

其中，

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}(3& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

则灰色***GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；转至第七步。

第七步，计算舵机***t+1时刻舵面位置：

$\widetilde{\mathrm{\θ}}=[\hat{P}(t-4)-\frac{b}{a}]e^{-5a}(1-e^a);$ 转至第八步。

第八步，控制器接收给定舵面位置θ_gv；转至第九步。

第九步，计算舵面位置误差转至第十步。

第十步，建立滑模线

其中，

为对舵面位置误差的e一次微分；c为误差系数，其取值范围在此设定为0＜c＜10；转至第十一步。

第十一步，采集电机角速度ω，计算速度给定ω_gv，其中：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gv}}=[J{c\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{gv}}-\mathrm{Jc\ω}+J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{gv}}+\mathrm{B\ω}+T_L+\mathrm{J\ξsgn}\left(s\right)+\mathrm{Jks}]/K_T$

式中：J为负载转动惯量，

为对给定舵面位置的一次微分，

为给定舵面位置的二次微分，B为粘滞系数，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；转至第十二步。

第十二步，计算速度误差信号e_ω＝ω_gv-ω；转至第十三步。

第十三步，进行速度环PID控制，PID输出作为电流环给定

；转至第十四步。

第十四步，计算均流电流给定

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_1=\hat{i}/2\\ {\hat{i}}_2=\hat{i}/2\end{array}\right.;$ 转至第十五步。

第十五步，计算电流误差信号

及

转至第十六步。

第十六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；转至第一步。

本发明还提供了如下的驱动装置：包括舵机驱动控制器部分，双Y型绕组无刷直流电机，传动齿轮组和受控舵面部分。驱动控制器部分接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过驱动控制器算法控制，驱动双Y型绕组无刷直流电机工作，力矩通过传动齿轮组施加在受控舵面，使舵面按照给定的舵面位置信号进行动作。

其中，舵机驱动控制器包括控制器DSP单元、数字隔离电路单元、驱动电路单元、主功率电路单元、电流采集电路单元、速度信号采集单元、位置传感器、位置给定信号调理电路单元、位置反馈信号调理电路单元和RS-422通信单元，舵面位置给定信号和舵面位置反馈信号分别经过位置给定信号调理电路单元和位置反馈信号调理电路单元输入控制器DSP单元，进行模数转换，控制器DSP单元接收到舵面位置指令后，通过滑模控制算法，输出驱动信号，驱动信号经数字隔离电路单元和驱动电路单元，驱动主功率电路，控制双Y型绕组无刷直流电机工作；双Y型绕组无刷直流电机的母线电流经电流采集电路单元采样，实现电流环闭环控制；速度信号采集单元采集电机的当前转速，反馈回控制器DSP单元，用以实现转速的闭环控制；与齿轮组相连的位置传感器实时反馈舵面的当前位置，传给控制器DSP单元，完成舵面位置闭环控制；舵面位置实际测量值经RS-422通信单元传给上位机进行监测。

本发明的有益效果是：以双Y型绕组无刷直流电机伺服***为研究对象，提出了一种滑模均流控制策略，平衡电机两套绕组电流，解决力纷争问题，同时提高舵***的可靠性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明控制装置的原理框图；

图中，1—舵机控制器，2—双Y型绕组无刷直流电机，3—传动齿轮组，4—受控舵面，5—RS-422通信单元，6—给定信号调理电路单元，7—DSP控制单元，8—数字隔离电路单元，9—驱动单元，10—主功率电路单元，11—电流传感器，12—反馈信号调理电路，13—舵面位置传感器，14—速度信号采集单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的控制方法包括以下步骤：

第一步，控制器分别采集反馈负载力矩T_L,电机转速ω_r,分电机绕组1电流反馈信号i₁及电机绕组2电流反馈信号i₂，转至第二步。

第二步，经速度观测器

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}}_r=\frac{C_{T1}}{J}{i}_1+\frac{C_{T2}}{J}{i}_2-\frac{1}{J}{\hat{T}}_L-\frac{B}{J}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r+c_1({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\\ {\stackrel{\·}{\hat{T}}}_L=c_2({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\end{array}\right.$

得电机转速微分

和转矩观测值微分

其中，C_T1为电机绕组1转矩常数，C_T2为电机绕组2转矩常数，J为电机转动惯量，

为负载力矩观测值，

为电机转速观测值，c₁为观测器系数（0＜c₁＜100000），c₂为观测器系数（-50000＜c₁＜0）。转至第三步

第三步，计算观测的电机位置

转至第四步。

第四步，建立灰色模型GM(1,1)：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b

得出***相应的白化方程为：

$\frac{x^{\left(1\right)}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}\left(t\right)=b$

其中，参数-a为发展系数，反映了灰色***GM(1,1)的发展态势，参数b为灰色作用量，是从背景值中发掘出来的的数据。

连续采集t-4,...,t时刻计算观测的电机位置

构成非负序列 $X^{\left(0\right)}=(\widehat{\mathrm{\θ}}(t-4),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-3),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-2),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-1),\widehat{\mathrm{\θ}}\left(t\right)).$

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))

其中，

k＝1,2.,.；转至第五步。

第五步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))其中， $z^{\left(1\right)}\left(k\right)=\frac{1}{2}(x^{\left(1\right)}\left(k\right)+x^{\left(1\right)}(k-1))$ k＝2,..,;转至第六步。

第六步，计算中间矩阵Y，B^T

其中，

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}(3& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

则灰色***GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；转至第七步。

第七步，计算舵机***t+1时刻舵面位置：

$\widetilde{\mathrm{\θ}}=[\hat{P}(t-4)-\frac{b}{a}]e^{-5a}(1-e^a);$ 转至第八步。

第八步，控制器接收给定舵面位置θ_gv；转至第九步。

第九步，计算舵面位置误差转至第十步。

第十步，建立滑模线

其中，

为对舵面位置误差的e一次微分；c为误差系数，其取值范围在此设定为0＜c＜10；转至第十一步。

第十一步，采集电机角速度ω，计算速度给定ω_gv，其中：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gv}}=[J{c\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{gv}}-\mathrm{Jc\ω}+J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{gv}}+\mathrm{B\ω}+T_L+\mathrm{J\ξsgn}\left(s\right)+\mathrm{Jks}]/K_T$

式中：J为负载转动惯量，

为对给定舵面位置的一次微分，

为给定舵面位置的二次微分，B为粘滞系数，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；转至第十二步。

第十二步，计算速度误差信号e_ω＝ω_gv-ω；转至第十三步。

第十三步，进行速度环PID控制，PID输出作为电流环给定

；转至第十四步。

第十四步，计算均流电流给定

，其中：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_1=\hat{i}/2\\ {\hat{i}}_2=\hat{i}/2\end{array}\right.;$ 转至第十五步。

第十五步，计算电流误差信号及

转至第十六步。

第十六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；转至第一步。

本发明的驱动装置包括舵机控制器1，双Y型绕组无刷直流电机2，传动齿轮组3，受控舵面4。舵机控制器1接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过控制器算法控制，驱动双Y型绕组无刷直流电机2工作，力矩通过传动齿轮3组施加在受控舵面4，使受控舵面4按照给定的舵面位置信号进行动作。

其中，舵机控制器部分包括：RS-422通信单元5、给定信号调理电路单元6、DSP控制单元7、数字隔离电路单元8、驱动电路单元9、主功率电路单元10、电流传感器11、反馈信号调理电路12、舵面位置传感器13。舵面位置给定信号和舵面位置反馈信号分别经过给定信号调理电路6和反馈信号调理电12，DSP控制单元7，进行转换，通过控制算法控制，输出驱动信号，驱动信号经数字隔离8、驱动电路9，驱动主功率电路10的功率管，控制双Y型绕组无刷直流电动机2工作。力矩通过传动齿轮3组施加在受控舵面4，使受控舵面4按照给定的舵面位置信号进行动作。无刷直流电机的母线电流经电流传感器11采样，送入DSP控制单元7，实现电流环闭环控制。速度信号采集单元14采集电机的当前转速，反馈回控制器DSP单元，用以实现转速的闭环控制。与传动齿轮组3的相连的位置传感器13实时反馈受控舵面4的当前位置，传给DSP控制单元7，完成舵面位置闭环控制。舵面位置实际测量值经RS-422通信单元5传给上位机进行监测。

Claims (3)

1.一种用于双Y型无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法，其特征在于包括下述步

骤：

第一步，控制器分别采集电机转速ω_r、电机绕组1电流反馈信号i₁及电机绕组2电流反馈信号i₂；

第二步，经速度观测器：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}}_r=\frac{C_{T1}}{J}{i}_1+\frac{C_{T2}}{J}{i}_2-\frac{1}{J}{\hat{T}}_L-\frac{B}{J}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r+c_1({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\\ {\stackrel{\·}{\hat{T}}}_L=c_2({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)\end{array}\right.$

得电机转速微分

和转矩观测值微分

其中，C_T1为电机绕组1转矩常数，C_T2为电机绕组2转矩常数，J为电机转动惯量，

为负载力矩观测值，为电机转速观测值，c₁为观测器系数，0＜c₁＜100000，c₂为观测器系数，-50000＜c₁＜0；

第三步，计算观测的电机位置

第四步，建立灰色模型GM(1,1)：x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b；

得出***相应的白化方程为：

其中，参数-a为发展系数，参数b为灰色作用量；

连续采集t-4,...,t时刻计算观测的电机位置

构成非负序列 $X^{\left(0\right)}=(\widehat{\mathrm{\θ}}(t-4),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-3),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-2),\widehat{\mathrm{\θ}}(t-1),\widehat{\mathrm{\θ}}\left(t\right));$

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))；

其中， $x^{\left(1\right)}\left(k\right)=\underset{i=t-4}{\overset{t-5+k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}^{\left(0\right)}\left(i\right)$ k＝1,2.,.；

第五步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))，其中， $z^{\left(1\right)}\left(k\right)=\frac{1}{2}(x^{\left(1\right)}\left(k\right)+x^{\left(1\right)}(k-1)),$ k＝2,…,5；

第六步，计算中间矩阵Y，B^T

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}(3& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

则灰色***GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；

第七步，计算舵机***t+1时刻舵面位置

第八步，控制器接收给定舵面位置θ_gv；

第九步，计算舵面位置误差

第十步，建立滑模线

其中，

为对舵面位置误差的e一次微分；c为误差系数，0＜c＜10；

第十一步，采集电机角速度ω，计算速度给定ω_gv，其中：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{gv}}=[J{c\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{gv}}-\mathrm{Jc\ω}+J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{gv}}+\mathrm{B\ω}+T_L+\mathrm{J\ξsgn}\left(s\right)+\mathrm{Jks}]/K_T$

式中：J为负载转动惯量，

为对给定舵面位置的一次微分，为给定舵面位置的二次微分，B为粘滞系数，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；

第十二步，计算速度误差信号e_ω＝ω_gv-ω；

第十三步，进行速度环PID控制，PID输出作为电流环给定

；

第十四步，计算均流电流给定，

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_1=\hat{i}/2\\ {\hat{i}}_2=\hat{i}/2\end{array};\right.$

第十五步，计算电流误差信号及

第十六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；转至第一步。

2.一种利用权利要求1所述方法的用于双Y型无刷直流电动舵机的灰色滑模控制装置，包括舵机驱动控制器、双Y型绕组无刷直流电机，传动齿轮组和受控舵面，其特征在于：舵机驱动控制器接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过上述控制方法解算，驱动双Y型绕组无刷直流电机工作，力矩通过传动齿轮组施加在受控舵面，使舵面按照给定的舵面位置信号进行动作。

3.根据权利要求2所述的用于双Y型无刷直流电动舵机的灰色滑模控制装置，其特征在于：所述的舵机驱动控制器包括控制器DSP单元、数字隔离电路单元、驱动电路单元、主功率电路单元、电流采集电路单元、速度信号采集单元、位置传感器、位置给定信号调理电路单元、位置反馈信号调理电路单元和RS-422通信单元，舵面位置给定信号和舵面位置反馈信号分别经过位置给定信号调理电路单元和位置反馈信号调理电路单元输入控制器DSP单元，进行模数转换，控制器DSP单元接收到舵面位置指令后，通过滑模控制算法，输出驱动信号，驱动信号经数字隔离电路单元和驱动电路单元，驱动主功率电路，控制双Y型绕组无刷直流电机工作；双Y型绕组无刷直流电机的母线电流经电流采集电路单元采样，实现电流环闭环控制；速度信号采集单元采集电机的当前转速，反馈回控制器DSP单元，用以实现转速的闭环控制；与齿轮组相连的位置传感器实时反馈舵面的当前位置，传给控制器DSP单元，完成舵面位置闭环控制；舵面位置实际测量值经RS-422通信单元传给上位机进行监测。

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