CN106253744B - 超声波电机力矩滞回控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波电机力矩滞回控制方法。提供一超声波电机伺服控制***，包括基座和设于基座上的超声波电机，所述超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，超声波电机另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、力矩传感器的信号输出端分别接至控制***；该方法将***建立在滞回数学模型基础上，采用力矩滞回控制对***进行控制，在减小辨识动态误差的同时也使得伺服***滞回最小，从而能获得更好的输入输出控制效能。

Description

超声波电机力矩滞回控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制器领域，特别是一种超声波电机力矩滞回控制方法。

背景技术

现有的超声波电机伺服控制***的设计中由于力矩-速度滞回的存在，使得***的性能受到影响，对周期重复信号控制时有一定的误差。为了改善跟随的控制效果，我们设计了基于滞回补偿控制的超声波电机伺服控制***。从力矩-速度跟随的实作结果中，我们发现***在力矩速度关系基本是线性，且参数的变动、噪声、交叉耦合的干扰和摩擦力等因素几乎无法对于力矩输出造成影响，故基于滞回补偿控制的超声波电机伺服控制***能有效的增进***的控制效能，并进一步减少***对于不确定性的影响程度，因此电机的力矩与速度控制可以获得较好的动态特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波电机力矩滞回控制方法，该方法将***建立在滞回数学模型基础上，采用力矩滞回控制对***进行控制，在减小辨识动态误差的同时也使得伺服***滞回最小，从而能获得更好的输入输出控制效能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种超声波电机力矩滞回控制方法，提供一超声波电机伺服控制***，包括基座和设于基座上的超声波电机，所述超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，超声波电机另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、力矩传感器的信号输出端分别接至控制***；该方法将***建立在滞回数学模型基础上，采用力矩滞回控制对***进行控制，在减小辨识动态误差的同时也使得伺服***滞回最小，从而能获得更好的输入输出控制效能。

在本发明一实施例中，所述控制***包括超声波电机驱动控制电路，所述超声波电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路，所述光电编码器的信号输出端与所述控制芯片电路的相应输入端相连接，所述控制芯片电路的输出端与所述驱动芯片电路的相应输入端相连接，以驱动所述驱动芯片电路，所述驱动芯片电路的驱动频率调节信号输出端和驱动半桥电路调节信号输出端分别与所述超声波电机的相应输入端相连接。

在本发明一实施例中，该方法具体实现如下，

超声波电机驱动***的动态方程可以写为：

其中，A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t＞0,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；

为了消除电机力矩-速度特性的滞回现象造成的影响，使用力矩速度滞回补偿控制对其进行控制；

滞回模型结合了函数F_r和密度函数p(r)描述迟滞的非线性，v(t)为输入信号，Π[v](t)为滞回***的输出信号，q、r为***待辨识的初始参数；它表示为：

假设0＝t₀＜t₁＜…t_N＝t_E为[0,t_E]的一个区间，输入函数v在每一个[t_i,t_i+1]区间内是单调的，函数F_r(t)定义如下：

F_r[v](0)＝f_r(v(0),0) (3)

F_r[v](t)＝f_r(v(t),w(t_i)) (4)

其中t_i＜t≤t_i+1，0＜i≤N-1，f_r(v,w)＝max(v-r,min(v+r,w))；max表示二数比较取最大，min表示二数比较取最小；

引入滞回的模型后，估计滞回逆的模型也是必需的，这主要用来估算逆补偿的误差；由于滞回模型的数据测量和输出信号之间存在一定的误差，逆补偿的误差将不会为零；滞回模型是由初始加载曲线构成；滞回逆模型是由初始加载曲线的逆曲线来构成；因此，滞回逆估计的模型是通过估计的逆加载曲线确认；若定义滞回模型的初始加载曲线为则估计的逆加载曲线就是估计的滞回逆模型的密度函数是估计滞回逆的模型表示为：

是逆模型的阈值；这个阈值可以表示为：

其中l＝1，2，3，…n，滞回逆模型Π^-1[v](t)在数值上表示为：

为了计算逆模型的阈值，按以下步骤进行：

当r∈[r_j,r_j+1)，

阈值为：

l＝1，2，3，…n，由1到j式(10)的总和为：

每一个时间间隔[r_j,r_j+1)逆模型的密度函数

所以

由式(11)-(13)可得如下式：

上式可以写成以下形式：

式(15)、(16)、(17)中回滞模型的逆模型每一个时间间隔的密度函数为：

通过上述过程的变换，得到的力矩速度滞回补偿控制器可使得***力矩速度的特性接近线性关系。

在本发明一实施例中，所述力矩速度滞回补偿控制器设于所述控制芯片电路中。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明滞回补偿控制的超声波电机伺服控制器，***在力矩速度跟踪效果上有着显著的改善且参数的变动、噪声、交叉耦合的干扰和摩擦力等因素几乎无法对于运动***效果造成影响，故基于滞回补偿控制的超声波电机伺服控制***能有效的增进***的控制效能，并进一步减少***对于不确定性的影响程度，提高了控制的准确性，可以获得较好的动态特性。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的控制电路原理图。

图中，1-光电编码器，2-光电编码器固定支架，3-超声波电机输出轴，4-超声波电机，5-超声波电机固定支架，6-超声波电机输出轴，7-飞轮惯性负载，8-飞轮惯性负载输出轴，9-弹性联轴器，10-力矩传感器，11-力矩传感器固定支架，12-基座，13-控制芯片电路，14-驱动芯片电路，15、16、17-光电编码器输出的A、B、Z相信号，18、19、20、21-驱动芯片电路产生的驱动频率调节信号，22-驱动芯片电路产生的驱动半桥电路调节信号，23、24、25、26、27、28-控制芯片电路产生的驱动芯片电路的信号，29-超声波电机驱动控制电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种超声波电机力矩滞回控制方法，提供一超声波电机伺服控制***，如图1所示，包括基座12和设于基座12上的超声波电机4，所述超声波电机4一侧输出轴3与光电编码器1相连接，另一侧输出轴6与飞轮惯性负载7相连接，所述飞轮惯性负载7的输出轴8经弹性联轴器9与力矩传感器10相连接，所述光电编码器1的信号输出端、所述力矩传感器10的信号输出端分别接至控制***。上述超声波电机4、光电编码器1、力矩传感器10分别经超声波电机固定支架5、光电编码器固定支架2、力矩传感器固定支架11固定于所述基座12上。

如图2所示，上述控制***包括超声波电机驱动控制电路29，所述超声波电机驱动控制电路29包括控制芯片电路13和驱动芯片电路14，所述光电编码器1的信号输出端与所述控制芯片电路13的相应输入端相连接，所述控制芯片电路13的输出端与所述驱动芯片电路14的相应输入端相连接，以驱动所述驱动芯片电路14，所述驱动芯片电路14的驱动频率调节信号输出端和驱动半桥电路调节信号输出端分别与所述超声波电机4的相应输入端相连接。所述驱动芯片电路14产生驱动频率调节信号和驱动半桥电路调节信号，对超声波电机输出A、B两相PWM的频率、相位及通断进行控制。通过开通及关断PWM波的输出来控制超声波电机的启动和停止运行；通过调节输出的PWM波的频率及两相的相位差来调节电机的最佳运行状态。

本发明的超声波电机力矩滞回控制方法，将整个控制器的***建立在观测器的基础上，在观测器的设计上也以误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能，具体实现如下，

超声波电机驱动***的动态方程可以写为：

其中，A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t＞0,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；

为了消除电机力矩-速度特性的滞回现象造成的影响，使用力矩速度滞回补偿控制对其进行控制；

滞回模型结合了函数F_r和密度函数p(r)描述迟滞的非线性，v(t)为输入信号，Π[v](t)为滞回***的输出信号，q、r为***待辨识的初始参数；它表示为：

假设0＝t₀＜t₁＜…t_N＝t_E为[0,t_E]的一个区间，输入函数v在每一个[t_i,t_i+1]区间内是单调的，函数F_r(t)定义如下：

F_r[v](0)＝f_r(v(0),0) (3)

F_r[v](t)＝f_r(v(t),w(t_i)) (4)

其中t_i＜t≤t_i+1，0＜i≤N-1，f_r(v,w)＝max(v-r,min(v+r,w))；max表示二数比较取最大，min表示二数比较取最小；

引入滞回的模型后，估计滞回逆的模型也是必需的，这主要用来估算逆补偿的误差；由于滞回模型的数据测量和输出信号之间存在一定的误差，逆补偿的误差将不会为零；滞回模型是由初始加载曲线构成；滞回逆模型是由初始加载曲线的逆曲线来构成；因此，滞回逆估计的模型是通过估计的逆加载曲线确认；若定义滞回模型的初始加载曲线为则估计的逆加载曲线就是估计的滞回逆模型的密度函数是估计滞回逆的模型表示为：

是逆模型的阈值；这个阈值可以表示为：

其中l＝1，2，3，…n，

滞回逆模型Π^-1[v](t)在数值上表示为：

为了计算逆模型的阈值，按以下步骤进行：

当r∈[r_j,r_j+1)，

阈值为：

l＝1，2，3，…n，由1到j式(10)的总和为：

每一个时间间隔[r_j,r_j+1)逆模型的密度函数

所以

由式(11)-(13)可得如下式：

上式可以写成以下形式：

式(15)、(16)、(17)中回滞模型的逆模型每一个时间间隔的密度函数为：

通过上述过程的变换，得到的力矩速度滞回补偿控制器可使得***力矩速度的特性接近线性关系。所述力矩速度滞回补偿控制器设于所述控制芯片电路中。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种超声波电机力矩滞回控制方法，其特征在于：提供一超声波电机伺服控制***，包括基座和设于基座上的超声波电机，所述超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，超声波电机另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、力矩传感器的信号输出端分别接至控制***；该方法将***建立在滞回数学模型基础上，采用力矩滞回控制对***进行控制，在减小辨识动态误差的同时也使得伺服***滞回最小，从而能获得更好的输入输出控制效能；所述控制***包括超声波电机驱动控制电路，所述超声波电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路，所述光电编码器的信号输出端与所述控制芯片电路的相应输入端相连接，所述控制芯片电路的输出端与所述驱动芯片电路的相应输入端相连接，以驱动所述驱动芯片电路，所述驱动芯片电路的驱动频率调节信号输出端和驱动半桥电路调节信号输出端分别与所述超声波电机的相应输入端相连接；该方法具体实现如下，

超声波电机驱动***的动态方程可以写为：

其中，A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t＞0,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；

为了消除电机力矩-速度特性的滞回现象造成的影响，使用力矩速度滞回补偿控制对其进行控制；

滞回模型结合了函数F_r[v](t)和密度函数p(r)描述迟滞的非线性，v(t)为输入信号，Π[v](t)为滞回***的输出信号，q、r为***待辨识的初始参数；它表示为：

假设0＝t₀＜t₁＜…t_N＝t_E，[0,t_E]为总区间，t₀～t_N即为区间[0,t_E]中的节点，输入函数v(t)在每一个[t_i,t_i+1]区间内是单调的，函数F_r[v](t)定义如下：

F_r[v](0)＝f_r(v(0),0) (3)

F_r[v](t)＝f_r(v(t),w(t_i)) (4)

其中t_i＜t≤t_i+1，0＜i≤N-1，f_r(v,w)＝max(v-r,min(v+r,w))；max表示二数比较取最大，min表示二数比较取最小；

引入滞回的模型后，估计滞回逆的模型也是必需的，这主要用来估算逆补偿的误差；由于滞回模型的数据测量和输出信号之间存在一定的误差，逆补偿的误差将不会为零；滞回模型是由初始加载曲线构成；滞回逆模型是由初始加载曲线的逆曲线来构成；因此，滞回逆估计的模型是通过估计的逆加载曲线确认；若定义滞回模型的初始加载曲线为则估计的逆加载曲线就是估计的滞回逆模型的密度函数是估计滞回逆的模型表示为：

是逆模型的阈值；这个阈值可以表示为：

其中l＝1，2，3，…n，

滞回逆模型Π^-1[v](t)在数值上表示为：

为了计算逆模型的阈值，按以下步骤进行：

当r∈[r_j,r_j+1)，

阈值为：

l＝1，2，3，…n，由1到j的总和为式(10)：

每一个时间间隔[r_j,r_j+1)逆模型的密度函数

由式(11)-(13)可得如下式：

上式可以写成以下形式：

式(15)、(16)、(17)中回滞模型的逆模型每一个时间间隔的密度函数 为：

通过上述过程的变换，得到的力矩速度滞回补偿控制器可使得***力矩速度的特性接近线性关系。

2.根据权利要求1所述的超声波电机力矩滞回控制方法，其特征在于：所述力矩速度滞回补偿控制器设于所述控制芯片电路中。