CN109067271A - 一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，该装置包括基座和设于其上的直流电机，直流电机一侧输出轴与光电编码器连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载连接，飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器连接，光电编码器、力矩传感器的信号输出端分别接至控制***。该控制***由轮廓控制器和电机组成，整个控制器的***建立在扰动补偿的基础上，在控制器的设计上使用滑模控制器以跟踪误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能。本发明装置及其控制***不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。

Description

一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制器领域，特别是一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法。

背景技术

直流电动机被广泛应用于各种不同的应用场合，如硬盘驱动器，机床，机器人手臂驱动等等。然而，摩擦可能导致稳态误差和极限环，从而降低直流伺服电动机的性能。因此发展有效的摩擦补偿技术,提高伺服***的性能是必要的。虽然基于模型的补偿方案可以有效地补偿摩擦力的影响，但它们的使用需要对摩檫力模型及其参数精确了解。此外，摩擦效应的性质可能因环境因素，如温度、润滑条件等而会改变。因此，基于模型的补偿方案必须依赖于离线或在线识别过程。因此需要无需事先了解摩擦模型的技术来补偿摩擦效应。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，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。

本发明采用以下方案实现：一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，包括基座、直流电机、光电编码器、飞轮惯性负载、联轴器、力矩传感器，所述直流电机一侧输出轴与所述光电编码器连接，所述直流电机的另一侧输出轴与所述飞轮惯性负载连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与所述力矩传感器连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端均连接至控制***；

其中，所述控制***建立在鲁棒扰动补偿方案基础上，使用滑模控制器使得伺服***轮廓跟踪误差最小，从而能获得更好的轮廓控制效能，鲁棒自适应控制器确保所有闭环信号都是有界的，最后状态向量的误差和期望的轨迹收敛到给定曲线，从而能获得更好的控制效能；

假设直流电动机***具有摩擦效应，

J(dω/dt)＝T_m-T_f-Bω (1)

其中J是总转动惯量，ω是直流电机角速度，T_m是直流电机的转矩，T_f是摩擦力矩，B是粘性阻尼系数，假定忽略电枢电感L，则T_m表示为：

T_m＝(V_A-V_B)(K_TR)＝(K_Au-K_Bω) (2)

V_A是电压放大器的输出，V_B的反电动势电压，K_T是电机的转矩常数，R为电枢电阻，K_A是电压放大器的增益，u是控制电压，K_B是反电动势常数，参数不确定***建模：

注意，在方程(3)的项，加在字母上的^代表标称参数，Δ表示参数的变化，名义传递函数为T_f为非线性摩擦力矩，从u到ω表示为：

模型不确定性函数定义为：

在此：

其中，P(s)和ΔP(s)是未知的，是通过执行***识别获得。

进一步地，所述联轴器为弹性联轴器。

进一步地，所述直流电机、光电编码器、力矩传感器分别通过直流电机固定支架、光电编码器固定支架、力矩传感器固定支架固定于所述基座上。

进一步地，所述控制***包括直流电机驱动控制电路，所述直流电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路，所述鲁棒控制器设于所述控制芯片电路中，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，用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直流电机的相应输入端连接。

进一步地，所述方程模型(3)中非线性摩擦力矩T_f作为未知干扰功能，用电流环补偿未知的摩擦力矩比较困难，因此，用T_ef代替T_f，T_ef表示非线性摩擦力矩，(3)被描述为：

如果T_ef能够估计，补偿功能将用于消除摩擦力矩和模型不确定性的影响，在此是给出方程的名义转移函数的反函数，

由于摩擦衰减反馈回路涉及到倒置***，***选择的是一个Hurwitz最小相位***，输出角速度为:

u(s)表示控制器输出，补偿功能为:

其中g是积分项的非负增益，F(s)是高截止频率的低通滤波器，方程(9)中的滤波器F(s)用于过滤高频测量噪声，定义参数误差函数为ρ(s)，由于模型的不确定性，有:

则方程(9)写成：

如方程(11)所示，等于等价函数T_ef(s)和参数误差函数ρ(s)的和，ρ(s)具有高增益g，当增益g被设计得较大时的跟踪效果得到改善，偿函数减小了摩擦力矩和参数误差函数对直流电动机***的影响，添加补偿函数后，方程(6)中给出的模型改写为：

剩余扰动d(s)被定义为:

其中表示转角对时间的导数，d₁(s)和d₂(s)代表残余摩擦和残差模型的不确定性，并可以作为***的干扰。

进一步地，由于无法完全消除未知摩擦和建模，该控制方案可与传统控制器，如鲁棒控制相结合，以抑制残余摩擦力和方程不完全补偿引起的模型不确定性。然而，补偿器抵消***中大部分具有不确定性。因此，滑模控制器需要一个适当的增益来保持***的鲁棒性，并且能够明显地减少抖振。

结合方程(12)和(13)，列出以下动力学方程：

b＝(K_AK_T)/(RJ) (16)

其中表示转角对时间的导数，u(t)表示控制器输出，对于方程(14)中给出的***，作出以下假设。

假设一：

对于已知的非负常数δ₁和δ₂，干扰d₁(t)和d₂(t)，有：d₁(t)＜δ₁，d₂(t)＜δ₂||x(t)||.

(17)

方程(14)中的动态参数f(t)不能完全确定，干扰δ₁和δ₂是有界的，动态参数f(t)和估计值之间的估计误差由下列已知函数确定：

假设二：

方程(14)中的参数b的控制增益是未知的，但其具有已知边界b_max表示参数b的最大值，b_min表示，参数b的最小值

b_max≥b≥b_min＞0 (19)

假设三：

控制增益的估计值当做方程(19)中给出的边界几何平均值：

则边界变为：

定义一个时变状态向量为：

x(t)＝[θ(t) ω(t)]^T (23)

将所需的时变状态定义为：

x_d(t)＝[θ_d(t) ω_d(t)]^T (24)

跟踪误差矢量定义为：

开关状态s(t)＝0，在状态空间中定义为：

其中λ是严格正常数，证明：

控制律是：

其中，

且η是严格正常数，K_s表示符号函数的系数，F表示待定常数，

结合方程(14)方程(8)及(29)，做出了假设1,2,3，***表面当且仅当方程(30)中所示的滑模控制增益成立时得到：当t→∞时x(t)-x_d(t)→0，证明：

列出一个李雅普诺夫函数的情况：

由方程(27)，(28)，(29)得以下方程成立：

如果方程(32)满足滑模到达条件，则有：

则方程(32)写为：

因此，获得滑模增益是可能的。

因为：

结合方程(18)，则：

符合方程(30)，另一方面，假设滑模控制增益K_s符合方程(30)，方程(30)替换为方程(32)，然后，以方程(33)的形式导出条件，这也证明当t→∞时x(t)-x_d(t)→0。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明使用扰动补偿，***在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，故基于扰动补偿的直流电机伺服控制***能有效的增进***的动态性能，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。此外，本发明装置设计合理，结构简单、紧凑，制造成本低，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

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为光电编码器，2为光电编码器固定支架，3为直流电机输出轴，4为直流电机，5为直流电机固定支架，6为直流电机输出轴，7为飞轮惯性负载，8为飞轮惯性负载输出轴，9为弹性联轴器，10为力矩传感器，11为力矩传感器固定支架，12为基座，13为控制芯片电路，14为驱动芯片电路，15、16、17分别为光电编码器输出的A、B、Z相信号，18、19、20、21分别为驱动芯片电路产生的驱动频率调节信号，22为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分别为控制芯片电路产生的驱动芯片电路的信号，29为直流电机驱动控制电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，包括基座12和设于基座12上的直流电机4，所述直流电机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***；

其中，所述控制***建立在鲁棒扰动补偿方案基础上，使用滑模控制器使得伺服***轮廓跟踪误差最小，从而能获得更好的轮廓控制效能，鲁棒自适应控制器确保所有闭环信号都是有界的，最后状态向量的误差和期望的轨迹收敛到给定曲线，从而能获得更好的控制效能；

假设直流电动机***具有摩擦效应，

J(dω/dt)＝T_m-T_f-Bω (1)

其中J是总转动惯量，ω是直流电机角速度，T_m是直流电机的转矩，T_f是摩擦力矩，B是粘性阻尼系数，假定忽略电枢电感L，则T_m表示为：

T_m＝(V_A-V_B)(K_T/R)＝(K_Au-K_Bω) (2)

V_A是电压放大器的输出，V_B的反电动势电压，K_T是电机的转矩常数，R为电枢电阻，K_A是电压放大器的增益，u是控制电压，K_B是反电动势常数，参数不确定***建模：

注意，在方程(3)的项，加在字母上的^代表标称参数，Δ表示参数的变化，名义传递函数为T_f为非线性摩擦力矩，从u到ω表示为：

模型不确定性函数定义为：

在此：

其中，P(s)和ΔP(s)是未知的，是通过执行***识别获得。

在本实施例中，所述联轴器为弹性联轴器。

在本实施例中，直流电机4、光电编码器1、力矩传感器10分别经直流电机固定支架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。

在本实施例中，所述控制***包括直流电机驱动控制电路29，所述直流电机驱动控制电路29包括控制芯片电路13和驱动芯片电路14，所述基于信息的直流电机轮廓伺服控制器设于所述控制芯片电路中，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直流电机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，对直流电机输出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波的输出来控制直流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。

在本实施例中，所述方程模型(3)中非线性摩擦力矩T_f作为未知干扰功能，用电流环补偿未知的摩擦力矩比较困难，因此，用T_ef代替T_f，T_ef表示非线性摩擦力矩，(3)被描述为：

如果T_ef能够估计，补偿功能将用于消除摩擦力矩和模型不确定性的影响，在此是给出方程的名义转移函数的反函数，

由于摩擦衰减反馈回路涉及到倒置***，***选择的是一个Hurwitz最小相位***，输出角速度为:

u(s)表示控制器输出，补偿功能为:

其中g是积分项的非负增益，F(s)是高截止频率的低通滤波器，方程(9)中的滤波器F(s)用于过滤高频测量噪声，定义参数误差函数为ρ(s)，由于模型的不确定性，有:

则方程(9)写成：

如方程(11)所示，等于等价函数T_ef(s)和参数误差函数ρ(s)的和，ρ(s)具有高增益g，当增益g被设计得较大时的跟踪效果得到改善，偿函数减小了摩擦力矩和参数误差函数对直流电动机***的影响，添加补偿函数后，方程(6)中给出的模型改写为：

剩余扰动d(s)被定义为:

其中表示转角对时间的导数d₁(s)和d₂(s)代表残余摩擦和残差模型的不确定性，并可以作为***的干扰。

在本实施例中，由于无法完全消除未知摩擦和建模，该控制方案可与传统控制器，如鲁棒控制相结合，以抑制残余摩擦力和方程不完全补偿引起的模型不确定性。然而，补偿器抵消***中大部分具有不确定性。因此，滑模控制器需要一个适当的增益来保持***的鲁棒性，并且能够明显地减少抖振。(说明书)

结合方程(12)和(13)，列出以下动力学方程：

b＝(K_AK_T)/(RJ) (16)

其中表示转角对时间的导数，u(t)表示控制器输出，对于方程(14)中给出的***，作出以下假设。

假设一：

对于已知的非负常数δ₁和δ₂，干扰d₁(t)和d₂(t)，有：d₁(t)＜δ₁，d₂(t)＜δ₂||x(t)||.

(17)

方程(14)中的动态参数f(t)不能完全确定，干扰δ₁和δ₂是有界的，动态参数f(t)和估计值之间的估计误差由下列已知函数确定：

假设二：

方程(14)中的参数b的控制增益是未知的，但其具有已知边界b_max表示参数b的最大值，b_min表示参数b的最小值，

b_max≥b≥b_min＞0 (19)

假设三：

控制增益的估计值当做方程(19)中给出的边界几何平均值：

则边界变为：

定义一个时变状态向量为：

x(t)＝[θ(t) ω(t)]^T (23)

将所需的时变状态定义为：

x_d(t)＝[θ_d(t) ω_d(t)]^T (24)

跟踪误差矢量定义为：

开关状态s(t)＝0，在状态空间中定义为：

其中λ是严格正常数，证明：

控制律是：

其中，

且η是严格正常数，K_s表示符号函数的系数，F表示待定常数，

结合方程(14)方程(8)及(29)，做出了假设1,2,3，***表面当且仅当方程(30)中所示的滑模控制增益成立时得到：当t→∞时x(t)-x_d(t)→0，证明：

列出一个李雅普诺夫函数的情况：

由方程(27)，(28)，(29)得以下方程成立：

如果方程(32)满足滑模到达条件，则有：

则方程(32)写为：

因此，获得滑模增益是可能的。

因为：

结合方程(18)，则：

符合方程(30)，另一方面，假设滑模控制增益K_s符合方程(30)，方程(30)替换为方程(32)，然后，以方程(33)的形式导出条件，这也证明当t→∞时x(t)-x_d(t)→0。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，其特征在于：包括基座、直流电机、光电编码器、飞轮惯性负载、联轴器、力矩传感器，所述直流电机一侧输出轴与所述光电编码器连接，所述直流电机的另一侧输出轴与所述飞轮惯性负载连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与所述力矩传感器连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端均连接至控制***；

其中，所述控制***建立在鲁棒扰动补偿方案基础上，使用扰动补偿使得伺服***轮廓跟踪误差最小，从而能获得更好的轮廓控制效能；

假设直流电动机***具有摩擦效应，

J(dω/dt)＝T_m-T_f-Bω (1)

其中J是总转动惯量，ω是直流电机角速度，T_m是直流电机的转矩，T_f是摩擦力矩，B是粘性阻尼系数，假定忽略电枢电感L，则T_m表示为：

T_m＝(V_A-V_B)(K_T/R)＝(K_Au-K_Bω) (2)

V_A是电压放大器的输出，V_B的反电动势电压，K_T是电机的转矩常数，R为电枢电阻，K_A是电压放大器的增益，u是控制电压，K_B是反电动势常数，参数不确定***建模：

注意，在方程(3)的项，加在字母上的^代表标称参数，Δ表示参数的变化，名义传递函数为T_f为非线性摩擦力矩，从u到ω表示为：

模型不确定性函数定义为：

在此：

其中，P(s)和ΔP(s)是未知的，是通过执行***识别获得。

2.根据权利要求1所述的一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，其特征在于：所述联轴器为弹性联轴器。

3.根据权利要求1所述的一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，其特征在于：所述直流电机、光电编码器、力矩传感器分别通过直流电机固定支架、光电编码器固定支架、力矩传感器固定支架固定于所述基座上。

4.根据权利要求1所述的一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，其特征在于：所述控制***包括直流电机驱动控制电路，所述直流电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路，所述鲁棒控制器设于所述控制芯片电路中，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，用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直流电机的相应输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，其特征在于：所述方程模型(3)中非线性摩擦力矩T_f作为未知干扰功能，用电流环补偿未知的摩擦力矩比较困难，因此，用T_ef代替T_f，T_ef表示非线性摩擦力矩，(3)被描述为：

如果T_ef能够估计，补偿功能将用于消除摩擦力矩和模型不确定性的影响，在此是给出方程的名义转移函数的反函数，

由于摩擦衰减反馈回路涉及到倒置***，***选择的是一个Hurwitz最小相位***，输出角速度为:

u(s)表示控制器输出，补偿功能为：

其中g是积分项的非负增益，F(s)是高截止频率的低通滤波器，方程(9)中的滤波器F(s)用于过滤高频测量噪声，定义参数误差函数为ρ(s)，由于模型的不确定性，有：

则方程(9)写成：

如方程(11)所示，等于等价函数T_ef(s)和参数误差函数ρ(s)的和，ρ(s)具有高增益g，当增益g被设计得较大时的跟踪效果得到改善，偿函数减小了摩擦力矩和参数误差函数对直流电动机***的影响，添加补偿函数后，方程(6)中给出的模型改写为：

剩余扰动d(s)被定义为：

其中表示转角对时间的导数，d₁(s)和d₂(s)代表残余摩擦和残差模型的不确定性，并作为***的干扰。

6.根据权利要求5所述的一种基于鲁棒扰动补偿方案的直流电机伺服控制方法，其特征在于：

结合方程(12)和(13)，列出以下动力学方程：

b＝(K_AK_T)/(RJ) (16)

其中表示转角对时间的导数，u(t)表示控制器输出，对于方程(14)中给出的***，作出以下假设；

假设一：

对于已知的非负常数δ₁和δ₂，干扰d₁(t)和d₂(t)，有：

d₁(t)＜δ₁，d₂(t)＜δ₂||x(t)|| (17)

方程(14)中的动态参数f(t)不能完全确定，干扰δ₁和δ₂是有界的，动态参数f(t)和估计值之间的估计误差由下列已知函数确定：

假设二：

方程(14)中的参数b的控制增益是未知的，但其具有已知边界b_max表示参数b的最大值，b_min表示参数b的最小值，

b_max≥b≥b_min＞0 (19)

假设三：

控制增益的估计值当做方程(19)中给出的边界几何平均值：

则边界变为：

定义一个时变状态向量为：

x(t)＝[θ(t) ω(t)]^T (23)

将所需的时变状态定义为：

x_d(t)＝[θ_d(t) ω_d(t)]^T (24)

跟踪误差矢量定义为：

开关状态s(t)＝0，在状态空间中定义为：

其中λ是严格正常数，证明：

控制律是：

其中，

且η是严格正常数，K_s表示符号函数的系数，F表示待定常数，

结合方程(14)方程(8)及(29)，做出了假设1,2,3，***表面当且仅当方程(30)中所示的滑模控制增益成立时得到：当t→∞时x(t)-x_d(t)→0，证明：

列出一个李雅普诺夫函数的情况：

由方程(27)，(28)，(29)得以下方程成立：

如果方程(32)满足滑模到达条件，则有：

则方程(32)写为：

因为：

结合方程(18)，则：

符合方程(30)，另一方面，假设滑模控制增益K_s符合方程(30)，方程(30)替换为方程(32)，然后，以方程(33)的形式导出条件，这也证明当t→∞时x(t)-x_d(t)→0。