CN113794401A - 一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法 - Google Patents

一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法 Download PDF

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CN113794401A CN202111053889.6A CN202111053889A CN113794401A CN 113794401 A CN113794401 A CN 113794401A CN 202111053889 A CN202111053889 A CN 202111053889A CN 113794401 A CN113794401 A CN 113794401A
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
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  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

本发明提出一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，所述补偿方法中，电机的控制***包括电机控制器；电机动力***中，电机一侧的输出轴测量端（3）与光电编码器（1）相连接，另一侧的输出轴动力端（6）与用于模拟电机扰动负载的飞轮惯性负载相连；所述飞轮惯性负载的输出轴经弹性联轴器（9）与力矩传感器（10）相连；所述电机控制器经光电编码器采集电机输出轴的角速度，经力矩传感器采集飞轮惯性负载的摩擦力矩，以根据采集数据调整电机工况来进行鲁棒扰动补偿；本发明能有效的增进***的控制效能，并进一步减少电机控制***对于不确定性的影响程度。

Description

一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法。
背景技术
现有的超声波电机伺服控制***，根据预摩擦模型的性质，可以发现该模型是高度非线性的，并且获得包括反转点状态在内的所有状态信息是物理上不可能实现的。
此外，由于无法完全消除该类***内的未知摩擦和建模，若该控制方案可与传统控制器相结合，则有助于抑制残余摩擦力和方程不完全补偿引起的模型不确定性。
发明内容
本发明提出一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，能有效的增进***的控制效能，并进一步减少电机控制***对于不确定性的影响程度。
本发明采用以下技术方案。
一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，所述补偿方法中，电机的控制***包括电机控制器；电机动力***中，电机一侧的输出轴测量端(3)与光电编码器(1)相连接，另一侧的输出轴动力端(6)与用于模拟电机扰动负载的飞轮惯性负载相连；所述飞轮惯性负载的输出轴经弹性联轴器(9)与力矩传感器(10)相连；所述电机控制器经光电编码器采集电机输出轴的角速度，经力矩传感器采集飞轮惯性负载的摩擦力矩，以根据采集数据调整电机工况来进行鲁棒扰动补偿。
所述电机为设于基座(12)上的超声波电机(4)。
所述电机控制器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包括控制芯片电路(13)和驱动芯片电路(14)，所述光电编码器的信号输出端与控制芯片电路的对应输入端相连接，控制芯片电路的输出端与驱动芯片电路的对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；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。
所述电机动力***形成预滑动摩擦力模型，所述预滑动摩擦力模型的摩擦效应以公式表述为
J(dω/dt)＝Tm-Tf-Bω 公式一；
J是总转动惯量，ω是电机角速度，Tm是电机的转矩，Tf是摩擦力矩，B是粘性阻尼系数，Tm以公式表示为：
Tm＝(VA-VB)(KT/R)＝(KAu-KBω) 公式二；
VA是电压放大器的输出，VB的反电动势电压，KT是电机的转矩常数，R为电枢电阻，KA是电压放大器的增益，u是控制电压，KB是反电动势常数；
预滑动摩擦力模型中，用于参数不确定***建模的公式为
Figure BDA0003253784420000021
其中
Figure BDA0003253784420000022
在公式三的项中，加在字母上的“^”代表标称参数，而“Δ”表示在参数的变化；名义传递函数为
Figure BDA0003253784420000023
表示为：
Figure BDA0003253784420000024
其中，模型不确定性函数定义为：
Figure BDA0003253784420000025
式中：
Figure BDA0003253784420000026
Figure BDA0003253784420000027
Figure BDA0003253784420000028
Figure BDA0003253784420000029
Figure BDA00032537844200000210
P(s)和ΔP(s)是未知量，
Figure BDA00032537844200000211
为对***采集信息的识别量；
当非线性摩擦力矩Tf为未知的干扰值时，使用Tef代替Tf，即公式三表述为：
Figure BDA00032537844200000212
当Tef为可估算值时，则补偿函数
Figure BDA00032537844200000213
可用于消除摩擦力矩和模型不确定性的影响；
当电机输出轴的角速度以下述公式表述时
Figure BDA0003253784420000031
此时
Figure BDA0003253784420000032
补偿函数
Figure BDA0003253784420000033
为
Figure BDA0003253784420000034
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；公式九中的滤波器F(s)用于过滤高频测量噪声；
当模型存在不确定性时，参数误差函数ρ(s)以公式定义为:
Figure BDA0003253784420000035
公式九可表述为
Figure BDA0003253784420000036
公式十一中，
Figure BDA0003253784420000037
等于等价函数Tef(s)和参数误差函数ρ(s)的差，ρ(s)具有高增益g；当增益g被设计为较大值时，模型的跟踪效果得到改善，即通过补偿函数减小了摩擦力矩和参数误差函数对电机***的影响；
在增设补偿函数后，公式六表述为：
Figure BDA0003253784420000038
模型中，剩余的扰动d(s)以公式定义为:
Figure BDA0003253784420000039
其中d1(s)和d2(s)代表残余摩擦和残差模型的对电机动力***的不确定性干扰。
当无法完全消除残余摩擦力和模拟方案模型中的方程不完全补偿时，则结合传统控制器，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；
结合公式十二、公式十三，电机的动力学方程由以下公式表述；
Figure BDA00032537844200000310
上式中，
Figure BDA0003253784420000041
b＝(KAKT)/(RJ) 公式十六；
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 公式十七；
当公式十四中的动态参数f(t)不能完全确定时，干扰δ1和δ2有界；
动态参数f(t)和估计值
Figure BDA0003253784420000042
之间的估计误差由下列已知函数确定：
Figure BDA0003253784420000043
公式十四中的参数b的控制增益是具有已知边界的未知量，bmax、bmin为边界最大和最小值，即
bmax≥b≥bmin＞0 公式十九；
控制增益的估计值
Figure BDA0003253784420000044
为公式十九给出的几何平均值：
Figure BDA0003253784420000045
边界以公式表述为：
Figure BDA0003253784420000046
公式二十一中
Figure BDA0003253784420000047
当时变状态向量被定义为x(t)＝[θ(t) ω(t)]T 公式二十三时，
所需的时变状态定义为xd(t)＝[θd(t) ωd(t)]T 公式二十四；
跟踪误差矢量定义为：
Figure BDA0003253784420000048
补偿方法的开关状态s(t)＝0，在模型的状态空间中定义为：
Figure BDA0003253784420000049
其中λ是严格正常数；
补偿方法的控制律u(t)为
Figure BDA00032537844200000410
其中
Figure BDA00032537844200000411
Figure BDA00032537844200000412
其中η是严格正常数，
Figure BDA00032537844200000413
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明使用基于预滑动摩擦力模型的超声波电机伺服控制***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，该装置设计合理，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
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是本发明的控制电路原理示意图；
图中：1-光电编码器；2-光电编码器固定支架；3-输出轴测量端；4-超声波电机；5-超声波电机固定支架；6-输出轴动力端；7-飞轮惯性负载；8-飞轮惯性负载的输出轴；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
如图所示，一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，所述补偿方法中，电机的控制***包括电机控制器；电机动力***中，电机一侧的输出轴测量端3与光电编码器1相连接，另一侧的输出轴动力端6与用于模拟电机扰动负载的飞轮惯性负载7相连；所述飞轮惯性负载的输出轴8经弹性联轴器9与力矩传感器10相连；所述电机控制器经光电编码器采集电机输出轴的角速度，经力矩传感器采集飞轮惯性负载的摩擦力矩，以根据采集数据调整电机工况来进行鲁棒扰动补偿。
所述电机为设于基座12上的超声波电机4。
本例中，光电编码器固定于光电编码器固定支架2处，力矩传感器固定于力矩传感器固定支架11处。
所述电机控制器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包括控制芯片电路13和驱动芯片电路14，所述光电编码器的信号输出端与控制芯片电路的对应输入端相连接，光电编码器输出的A、B、Z相信号15、16、17被控制芯片电路接收，控制芯片电路的输出端与驱动芯片电路的对应输入端相连接以驱动所述驱动芯片电路，具体驱动通过控制芯片电路产生的驱动芯片电路的信号23、24、25、26、27、28进行；
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；所述驱动芯片电路产生驱动频率调节信号18、19、20、21和驱动半桥电路调节信号22，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。
所述电机动力***形成预滑动摩擦力模型，所述预滑动摩擦力模型的摩擦效应以公式表述为
J(dω/dt)＝Tm-Tf-Bω 公式一；
J是总转动惯量，ω是电机角速度，Tm是电机的转矩，Tf是摩擦力矩，B是粘性阻尼系数，Tm以公式表示为：
Tm＝(VA-VB)(KT/R)＝(KAu-KBω) 公式二；
VA是电压放大器的输出，VB的反电动势电压，KT是电机的转矩常数，R为电枢电阻，KA是电压放大器的增益，u是控制电压，KB是反电动势常数；
预滑动摩擦力模型中，用于参数不确定***建模的公式为
Figure BDA0003253784420000061
其中
Figure BDA0003253784420000062
在公式三的项中，加在字母上的“^”代表标称参数，而“Δ”表示在参数的变化；名义传递函数为
Figure BDA0003253784420000063
表示为：
Figure BDA0003253784420000064
其中，模型不确定性函数定义为：
Figure BDA0003253784420000065
式中：
Figure BDA0003253784420000066
Figure BDA0003253784420000067
Figure BDA0003253784420000068
Figure BDA0003253784420000069
Figure BDA00032537844200000610
P(s)和ΔP(s)是未知量，
Figure BDA00032537844200000611
为对***采集信息的识别量；
当非线性摩擦力矩Tf为未知的干扰值时，使用Tef代替Tf，即公式三表述为：
Figure BDA00032537844200000612
当Tef为可估算值时，则补偿函数
Figure BDA0003253784420000071
可用于消除摩擦力矩和模型不确定性的影响；
当电机输出轴的角速度以下述公式表述时
Figure BDA0003253784420000072
此时
Figure BDA0003253784420000073
补偿函数
Figure BDA0003253784420000074
为
Figure BDA0003253784420000075
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；公式九中的滤波器F(s)用于过滤高频测量噪声；
当模型存在不确定性时，参数误差函数ρ(s)以公式定义为:
Figure BDA0003253784420000076
公式九可表述为
Figure BDA0003253784420000077
公式十一中，
Figure BDA0003253784420000078
等于等价函数Tef(s)和参数误差函数ρ(s)的差，ρ(s)具有高增益g；当增益g被设计为较大值时，模型的跟踪效果得到改善，即通过补偿函数减小了摩擦力矩和参数误差函数对电机***的影响；
在增设补偿函数后，公式六表述为：
Figure BDA0003253784420000079
模型中，剩余的扰动d(s)以公式定义为:
Figure BDA00032537844200000710
其中d1(s)和d2(s)代表残余摩擦和残差模型的对电机动力***的不确定性干扰。
当无法完全消除残余摩擦力和模拟方案模型中的方程不完全补偿时，则结合传统控制器，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；
结合公式十二、公式十三，电机的动力学方程由以下公式表述；
Figure BDA00032537844200000711
上式中，
Figure BDA0003253784420000081
b＝(KAKT)/(RJ) 公式十六；
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 公式十七；
当公式十四中的动态参数f(t)不能完全确定时，干扰δ1和δ2有界；
动态参数f(t)和估计值
Figure BDA0003253784420000082
之间的估计误差由下列已知函数确定：
Figure BDA0003253784420000083
公式十四中的参数b的控制增益是具有已知边界的未知量，bmax、bmin为边界最大和最小值，即
bmax≥b≥bmin＞0 公式十九；
控制增益的估计值
Figure BDA0003253784420000084
为公式十九给出的几何平均值：
Figure BDA0003253784420000085
边界以公式表述为：
Figure BDA0003253784420000086
公式二十一中
Figure BDA0003253784420000087
当时变状态向量被定义为x(t)＝[θ(t) ω(t)]T 公式二十三时，
所需的时变状态定义为xd(t)＝[θd(t) ωd(t)]T 公式二十四；
跟踪误差矢量定义为：
Figure BDA0003253784420000088
补偿方法的开关状态s(t)＝0，在模型的状态空间中定义为：
Figure BDA0003253784420000089
其中λ是严格正常数；
补偿方法的控制律u(t)为
Figure BDA00032537844200000810
其中
Figure BDA00032537844200000811
Figure BDA00032537844200000812
其中η是严格正常数，
Figure BDA00032537844200000813
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 (5)

1.一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述补偿方法中，电机的控制***包括电机控制器；电机动力***中，电机一侧的输出轴测量端(3)与光电编码器(1)相连接，另一侧的输出轴动力端(6)与用于模拟电机扰动负载的飞轮惯性负载相连；所述飞轮惯性负载的输出轴经弹性联轴器(9)与力矩传感器(10)相连；所述电机控制器经光电编码器采集电机输出轴的角速度，经力矩传感器采集飞轮惯性负载的摩擦力矩，以根据采集数据调整电机工况来进行鲁棒扰动补偿。
2.根据权利要求1所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述电机为设于基座(12)上的超声波电机(4)。
3.根据权利要求2所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述电机控制器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包括控制芯片电路(13)和驱动芯片电路(14)，所述光电编码器的信号输出端与控制芯片电路的对应输入端相连接，控制芯片电路的输出端与驱动芯片电路的对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；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。
4.根据权利要求2所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述电机动力***形成预滑动摩擦力模型，所述预滑动摩擦力模型的摩擦效应以公式表述为
J(dω/dt)＝Tm-Tf-Bω 公式一；
J是总转动惯量，ω是电机角速度，Tm是电机的转矩，Tf是摩擦力矩，B是粘性阻尼系数，Tm以公式表示为：
Tm＝(VA-VB)(KT/R)＝(KAu-KBω) 公式二；
VA是电压放大器的输出，VB的反电动势电压，KT是电机的转矩常数，R为电枢电阻，KA是电压放大器的增益，u是控制电压，KB是反电动势常数；
预滑动摩擦力模型中，用于参数不确定***建模的公式为
Figure FDA0003253784410000011
公式三；
其中
Figure FDA0003253784410000021
在公式三的项中，加在字母上的“^”代表标称参数，而“Δ”表示在参数的变化；
名义传递函数为
Figure FDA0003253784410000022
表示为：
Figure FDA0003253784410000023
其中，模型不确定性函数定义为：
Figure FDA0003253784410000024
式中：
Figure FDA0003253784410000025
Figure FDA0003253784410000026
Figure FDA0003253784410000027
Figure FDA0003253784410000028
Figure FDA0003253784410000029
P(s)和ΔP(s)是未知量，
Figure FDA00032537844100000210
为对***采集信息的识别量；
当非线性摩擦力矩Tf为未知的干扰值时，使用Tef代替Tf，即公式三表述为：
Figure FDA00032537844100000211
当Tef为可估算值时，则补偿函数
Figure FDA00032537844100000212
可用于消除摩擦力矩和模型不确定性的影响；
当电机输出轴的角速度以下述公式表述时
Figure FDA00032537844100000213
此时
Figure FDA00032537844100000214
补偿函数
Figure FDA00032537844100000215
为
Figure FDA00032537844100000216
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；公式九中的滤波器F(s)用于过滤高频测量噪声；
当模型存在不确定性时，参数误差函数ρ(s)以公式定义为:
Figure FDA0003253784410000031
公式九可表述为
Figure FDA0003253784410000032
公式十一中，
Figure FDA0003253784410000033
等于等价函数Tef(s)和参数误差函数ρ(s)的差，ρ(s)具有高增益g；当增益g被设计为较大值时，模型的跟踪效果得到改善，即通过补偿函数减小了摩擦力矩和参数误差函数对电机***的影响；
在增设补偿函数后，公式六表述为：
Figure FDA0003253784410000034
模型中，剩余的扰动d(s)以公式定义为:
Figure FDA0003253784410000035
其中d1(s)和d2(s)代表残余摩擦和残差模型的对电机动力***的不确定性干扰。
5.根据权利要求4所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：当无法完全消除残余摩擦力和模拟方案模型中的方程不完全补偿时，则结合传统控制器，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；
结合公式十二、公式十三，电机的动力学方程由以下公式表述；
Figure FDA0003253784410000036
上式中，
Figure FDA0003253784410000037
b＝(KAKT)/(RJ) 公式十六；
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 公式十七；
当公式十四中的动态参数f(t)不能完全确定时，干扰δ1和δ2有界；
动态参数f(t)和估计值
Figure FDA0003253784410000038
之间的估计误差由下列已知函数确定：
Figure FDA0003253784410000039
公式十四中的参数b的控制增益是具有已知边界的未知量，bmax、bmin为边界最大和最小值，即
bmax≥b≥bmin＞0 公式十九；
控制增益的估计值
Figure FDA0003253784410000041
为公式十九给出的几何平均值：
Figure FDA0003253784410000042
边界以公式表述为：
Figure FDA0003253784410000043
公式二十一中
Figure FDA0003253784410000044
当时变状态向量被定义为x(t)＝[θ(t) ω(t)]T 公式二十三时，
所需的时变状态定义为xd(t)＝[θd(t) ωd(t)]T 公式二十四；
跟踪误差矢量定义为：
Figure FDA0003253784410000045
补偿方法的开关状态s(t)＝0，在模型的状态空间中定义为：
Figure FDA0003253784410000046
其中λ是严格正常数；
补偿方法的控制律
Figure FDA0003253784410000047
其中
Figure FDA0003253784410000048
Figure FDA0003253784410000049
其中η是严格正常数，
Figure FDA00032537844100000410
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