CN113777995A - 一种基于增益限制补偿器的伺服控制*** - Google Patents

一种基于增益限制补偿器的伺服控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，包括控制***、基座以及设于基座上的电机，所述电机一侧输出轴与光电编码器相连接，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、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制***，所述控制***包括一增益限制补偿器。该***有利于提高控制准确度。

Description

一种基于增益限制补偿器的伺服控制***
技术领域
本发明属于电机控制器领域，具体涉及一种基于增益限制补偿器的伺服控制***。
背景技术
现有的电机伺服控制***，如果输入信号是阶跃响应，则控制器增益在稳态时等于设定值，通过提高自适应增益参数可以加快增益限制补偿器的收敛速度。如果增益参数设置较大，控制***容易发生振荡。用户无意中设置控制增益，会降低***的定位性能。因此在实际应用中，需要一种简单而有效的机制防止用户错误指定控制增益，从而降低***性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，该***有利于提高控制准确度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，包括控制***、基座以及设于基座上的电机，所述电机一侧输出轴与光电编码器相连接，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、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制***，所述控制***包括一增益限制补偿器，以限制控制器增益。
进一步地，所述控制***包括电机驱动控制电路，所述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电机的相应输入端相连接。
进一步地，所述驱动芯片电路产生驱动频率调节信号和驱动半桥电路调节信号，对电机输出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。
进一步地，所述增益限制补偿器设置于控制芯片电路上，在增益限制补偿器中，u表示控制器的输出信号，Kp是控制增益的等效值，Ks是所期望的上限增益值，r是输入信号，he是具有抵消作用的补偿信号，h是控制器输出的补偿信号；补偿器由死区函数和积分项组成；当输出信号u超过输入r和增益值Ks的乘积时，信号he是非零值；如果输出信号u超出输入r和增益值Ks，一个补偿器的信号he非零值来抵消输入信号r；输出信号u与补偿信号he之间的关系为：
he(s)＝(u(s)-r(s)·Ks)·Ka
ifu＞|r·Ks|oru＜-|r·Ks|, (1)
elsehe＝0
其中Ka是自适应增益参数，用于确定补偿器的收敛速度，s是时域算子；
补偿信号h进一步表示为：
h(s)＝he(s)/s＝[(u(s)-r(s)Ks)Ka]/s (2)
同时，输入信号和输出信号之间的关系由式(3)给出：
Figure BDA0003272604750000021
方程(3)改写为：
u(s)/r(s)＝(KsKaKp+Kps)/(KaKp+s) (4)
对于方程(4)，如果输入信号是阶跃响应，则控制器增益在稳态时等于Ks，通过提高自适应增益参数Ka来加快增益限制补偿器的收敛速度；通过限制增益补偿器限制控制器增益，并通过限制Kp的值来消除任何干扰***性能的非线性扰动；
考虑一个非线性***：
Figure BDA0003272604750000022
其中，φ是一个任意的无记忆非线性函数，Kp是控制器的增益，G(s)＝cT[sI-A]-1b是一个线性***，A是一个Hurwitz；由于存在非线性函数φ，获得以下条件：
0≤φ(y)≤K·y (6)
在已知φ变化范围的情况下，通过使用所述增益限制补偿器，根据导出的增益值Ks限制***控制增益Kp，从而稳定该***。
进一步地，所述电机、光电编码器、力矩传感器分别经电机固定支架、光电编码器固定支架、力矩传感器固定支架固定安装于所述基座上。
进一步地，所述电机为超声波电机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在伺服控制***上增加增益限制补偿器，并通过提高自适应增益参数来加快增益限制补偿器的收敛速度，有效增进***的控制效能，并通过限制增益的值，有效地消除任何干扰***性能的非线性扰动。该***不仅控制准确度高，而且结构简单，易于实现，使用效果好。
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3是本发明实施例中增益限制补偿器的原理框图。
图4是本发明实施例中非线性***的原理框图。
图5是本发明实施例中与***相关联的扇区示意图。
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
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，包括控制***、基座12以及设于基座12上的电机4，所述电机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***，所述控制***包括一增益限制补偿器，以限制控制器增益。
在本实施例中，电机4为超声波电机，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固定安装于基座12上。
如图2所示，所述控制***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。
所述增益限制补偿器设置于控制芯片电路上。如图3所示，在增益限制补偿器中，u表示控制器的输出信号，Kp是控制增益的等效值，Ks是所期望的上限增益值，r是输入信号，he是具有抵消作用的补偿信号，h是控制器输出的补偿信号；补偿器由死区函数和积分项组成；当输出信号u超过输入r和增益值Ks的乘积时，信号he是非零值；如果输出信号u超出输入r和增益值Ks，一个补偿器的信号he非零值来抵消输入信号r；为了保持输出的上限u，输出信号u与补偿信号he之间的关系为：
he(s)＝(u(s)-r(s)·Ks)·Ka
ifu＞|r·Ks|oru＜-|r·Ks|, (1)
elsehe＝0
其中Ka是自适应增益参数，用于确定补偿器的收敛速度，s是时域算子。
补偿信号h进一步表示为：
h(s)＝he(s)/s＝[(u(s)-r(s)Ks)Ka]/s (2)
同时，输入信号和输出信号之间的关系由式(3)给出：
Figure BDA0003272604750000051
方程(3)改写为：
u(s)/r(s)＝(KsKaKp+Kps)/(KaKp+s) (4)
对于方程(4)，如果输入信号是阶跃响应，则控制器增益在稳态时等于Ks，而且通过提高自适应增益参数Ka可以加快增益限制补偿器的收敛速度。通过限制增益补偿器限制控制器增益，并通过限制Kp的值来消除任何干扰***性能的非线性扰动；
在实际应用中，本发明所提出的补偿器提供了一种简单而有效的机制，以防止用户错误指定控制增益，从而降低***性能。
考虑如图4所示的一个非线性***：
Figure BDA0003272604750000052
其中，φ是一个任意的无记忆非线性函数，Kp是控制器的增益，G(s)＝cT[sI-A]-1b是一个线性***，A是一个Hurwitz。整体***的稳定性分析是困难的，由于存在非线性函数φ，获得以下条件：
0≤φ(y)≤K·y (6)
在已知φ变化范围，即如图5所示的扇区范围的情况下，通过使用所述增益限制补偿器，根据圆(圈)或波波夫准则导出的增益值Ks限制***控制增益Kp，从而稳定该***。
需要注意的是，只有当控制***是自治的，只有当控制***只有一个非线性时，稳定性判据才能应用。在实际应用中，本发明所提出的增益补偿方案能够保持任何非线性***处于稳定状态，只要能得到非线性函数的扇形范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，包括控制***、基座以及设于基座上的电机，其特征在于，所述电机一侧输出轴与光电编码器相连接，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、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制***，所述控制***包括一增益限制补偿器，以限制控制器增益。
2.根据权利要求1所述的一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，其特征在于，所述控制***包括电机驱动控制电路，所述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电机的相应输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，其特征在于，所述驱动芯片电路产生驱动频率调节信号和驱动半桥电路调节信号，对电机输出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。
4.根据权利要求2所述的一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，其特征在于，所述增益限制补偿器设置于控制芯片电路上，在增益限制补偿器中，u表示控制器的输出信号，Kp是控制增益的等效值，Ks是所期望的上限增益值，r是输入信号，he是具有抵消作用的补偿信号，h是控制器输出的补偿信号；补偿器由死区函数和积分项组成；当输出信号u超过输入r和增益值Ks的乘积时，信号he是非零值；如果输出信号u超出输入r和增益值Ks，一个补偿器的信号he非零值来抵消输入信号r；输出信号u与补偿信号he之间的关系为：
Figure FDA0003272604740000011
其中Ka是自适应增益参数，用于确定补偿器的收敛速度，s是时域算子；
补偿信号h进一步表示为：
h(s)＝he(s)/s＝[(u(s)-r(s)Ks)Ka]/s (2)
同时，输入信号和输出信号之间的关系由式(3)给出：
Figure FDA0003272604740000021
方程(3)改写为：
u(s)/r(s)＝(KsKaKp+Kps)/(KaKp+s) (4)
对于方程(4)，如果输入信号是阶跃响应，则控制器增益在稳态时等于Ks，通过提高自适应增益参数Ka来加快增益限制补偿器的收敛速度；通过限制增益补偿器限制控制器增益，并通过限制Kp的值来消除任何干扰***性能的非线性扰动；
考虑一个非线性***：
Figure FDA0003272604740000022
其中，φ是一个任意的无记忆非线性函数，Kp是控制器的增益，G(s)＝cT[sI-A]-1b是一个线性***，A是一个Hurwitz；由于存在非线性函数φ，获得以下条件：
0≤φ(y)≤K·y (6)
在已知φ变化范围的情况下，通过使用所述增益限制补偿器，根据导出的增益值Ks限制***控制增益Kp，从而稳定该***。
5.根据权利要求1所述的一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，其特征在于，所述电机、光电编码器、力矩传感器分别经电机固定支架、光电编码器固定支架、力矩传感器固定支架固定安装于所述基座上。
6.根据权利要求1所述的一种基于增益限制补偿器的伺服控制***，其特征在于，所述电机为超声波电机。
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