CN101515778A - 无刷直流力矩电机位置伺服系统摩擦力矩自适应补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种无刷直流力矩电机位置伺服系统摩擦力矩自适应补偿方法。高精度BDCM位置伺服系统包括位置环、速度环和电流环三环控制，三环控制均采用离散PID控制律来控制。由绝对值编码器获得实际的位置信号，经处理位置控制器数字PI算法输出转速给定值n^*；光电编码器获得实际的速度信号，转速控制器数字P算法输出电流给定值I^*；由霍尔电流传感器得到实际的电流信号I，由电流调节器确定电子电枢绕组导通所需要的电压平均值，根据计算出的占空比设置相应的寄存器使DSP的事件管理器产生经摩擦力矩补偿后的PWM信号控制电机正确运行。本发明解决了高精度BDCM位置伺服系统无刷直流力矩电机运行带来的摩擦力矩的阻碍作用影响系统精度的不足这一问题。

Description

无刷直流力矩电机位置伺服系统摩擦力矩自适应补偿方法

(一)技术领域

本发明涉及一种无刷直流力矩电机的控制方法。

(二)背景技术

目前，伺服系统采用脉宽调制式(PWM)功率放大装置和无刷直流力矩电机(BDCM)构成系统驱动装置，故简称PWM BDCM伺服系统。无刷直流力矩电机是靠三相绕组的导通相序来实现两个不同方向转速的，而电机绕组的导通相序是用一个具有数字量特征的转向控制信号(PTS)实现的。PTS为高低电平对应电机不同转向。在高精度BDCM位置伺服系统中，当无刷直流力矩电机运行时存在一定的摩擦力矩的阻碍作用，并且摩擦力矩在电机的各个运行阶段不相等，从而影响系统的控制精度。

伺服系统摩擦力矩补偿分为基于模型的补偿与不基于模型的补偿。如果摩擦模型的参数已知，就是固定参数补偿。实际上，摩擦特性随着系统运行条件和运行环境的变化而变化，摩擦模型参数随之变化，采用固定参数的前馈补偿很难达到满意的效果，这时采用摩擦模型参数估计和控制器综合相结合的自适应摩擦补偿，可以实时补偿系统中摩擦模型参数的变化和对象系统模型参数的变化，达到满意的补偿效果，满足控制精度的要求。

经文献检索发现，专利申请号为95198013，名称为“对位置伺服系统或涉及位置伺服系统的改进”的专利申请文件中公开了一种“对位置伺服系统的机械结构进行改造，试图向从动机械装置施加转矩以消除误差”的技术方案，但是其机械结构比较复杂，不能完全满足高精度位置伺服系统技术要求。

机械与电子，2007年第2期上刊登的“一种新型高精度位置伺服系统的摩擦补偿控制”，主要采用的是一种名义上特性轨迹跟随控制方法NCTF(nominalcharacteristics trajectory following)，该方法为Wahyudi于2001年提出，不需要精确的摩擦模型。

电气传动，2002年第6期上刊登的“高精度位置伺服系统的鲁棒非线性摩擦补偿控制”，主要提出一种基于Lyapunov直接法的非线性鲁棒控制算法。在非线性摩擦函数未知和系统参数时变的情况下，使跟踪误差趋于零。

发明内容

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以根据无刷直流力矩电机运行时摩擦力矩的特性进行自适应补偿，使无刷直流力矩电机高精度的跟随控制信号，从而解决高精度BDCM位置伺服系统无刷直流力矩电机运行带来的摩擦力矩的阻碍作用影响系统精度的问题的无刷直流力矩电机位置伺服系统摩擦力矩自适应补偿方法。

本发明的目的是这样实现的：

高精度BDCM位置伺服系统包括位置环、速度环和电流环三环控制，三环控制均采用离散PID控制律来控制；

由绝对值编码器获得实际的位置信号，位置编码器输出串行的角度信号，通过DN1811解码产生32位的并行数据信号，DSPF2812A有16位数据线，32位数据分两次读入DSP，读入的32位数据有24位是角度数据，8位是控制状态信号，读入数据后，再对数据解码计算，得到负载转动的角度θ，位置给定信号θ^*与θ比较后得到位置误差Eθ信号，位置控制器数字PI算法输出转速给定值n^*；

光电编码器获得实际的速度信号，采用M/T法获得实际转速信号n，如下：

$n=\frac{60f_c{m}_1}{N{m}_2}$

其中：N为传感器每周产生的脉冲个数，

T_d为检测时间，

m₁为T_d时间内传感器产生的脉冲个数，

m₂为T_d时间内记取时钟脉冲的脉冲数，

f_c为时钟脉冲的频率，

当n^*＞n_max时，取n^*＝n_max，当n^*＜-n_max，取n^*＝-n_max，其中n_max是转速极限值，转速给定信号n^*与n比较后得到位置误差En信号，转速控制器数字P算法输出电流给定值I^*，

当I^*＞I_max时，取I^*＝I_max，当I^*＜-I_max，取I^*＝-I_max，其中I_max是转速极限值；

由霍尔电流传感器得到实际的电流信号I，霍尔电流传感器输出的信号经D/A转换后由DSP读取，电流给定值I^*与电流实际值比较得到电流误差ΔI，当I^*＞0时，ΔI＝I^*-I，当I^*＜0时，ΔI＝-I^*-I，对ΔI取绝对值后，再和摩擦力矩特性函数相加后经电流环PI调节后得到u，根据u计算占空比，进行正转矩和负转矩PWM寄存器更新；

由电流调节器确定电子电枢绕组导通所需要的电压平均值，即PWM信号占空比，根据计算出的占空比设置相应的寄存器使DSP的事件管理器产生经摩擦力矩补偿后的PWM信号控制电机正确运行。

为了克服高精度BDCM位置伺服系统无刷直流力矩电机运行带来的摩擦力矩的阻碍作应从而影响系统精度的这一不足。本发明提出了一种高精度BDCM位置伺服系统摩擦力矩自适应补偿方法。该补偿器选用LuGre模型对高精度BDCM位置伺服系统进行摩擦力矩进行自适应估计，并由DSP实现对无刷直流力矩电机进行力矩补偿。该发明可以根据无刷直流力矩电机运行时摩擦力矩的特性进行自适应补偿，使无刷直流力矩电机高精度的跟随控制信号，从而解决了高精度BDCM位置伺服系统无刷直流力矩电机运行带来的摩擦力矩的阻碍作用影响系统精度的不足这一问题。

(四)附图说明

图1是系统主程序流程图。

图2是控制算法程序流程图。

图3是绝对值编码器计数值流程图。

图4是摩擦力与速度的关系图。

图5是带摩擦力矩补偿器的电流环控制流程图。

图6是电流环PWM占空比计算流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1为系统主程序流程图，主程序主要是对系统的初始化，包括DSP本身寄存器、中断、定时器、事件管理器等的初始化。然后等待中断的来临。

图2为控制算法流程图，高精度BDCM位置伺服系统有三环控制：电流环(转矩环)、速度环和位置环。这三环控制均采用离散PID控制律来控制。

图3为绝对值编码器计数值流程图，主要对无刷直流力矩电机的位置信号进行检测，位置信号由绝对值编码器获得。

图4指出了摩擦力与速度之间的关系。其中：(1)弹性形变阶段；(2)边界润滑阶段；(3)部分液体润滑阶段；(4)全液体润滑阶段。

图5为带摩擦力矩补偿器的电流环控制流程图。三相无刷直流力矩电机采用两相通电模式，方波驱动，本流程图就是根据实际值产生带摩擦力矩补偿器的PWM信号，正确控制电机的高精度运行。

图6为电流环PWM占空比计算流程图。电流调节器是为了确定电子电枢绕组导通所需要的电压平均值，即PWM信号占空比，然后由DSP根据这个占空比产生PWM信号。

下面结合附图，详细说明本发明的实现步骤。

第一步：确定系统各环节参数

高精度BDCM位置伺服系统由位置环，速度环和电流环三环构成。其中电流环控制器采用PI控制规律实现，参数有：KIP和KII；速度环控制器采用P控制规律实现，参数有：KVP；位置环控制器采用PI控制规律实现，参数有：KPP和KPI。由于DSP控制系统是离散系统，所以需把常规PID控制规律进行离散化。位置环采样时间T1，速度环采样时间T2，电流环采样时间T3。根据系统的设计指标：负载的最大转动角度：Φ＝45°；转动周期T＝5s；负载的转动惯量J_L＝0.6Kgm，由于负载的运动是随机的，转速也是随机的，故一般将负载的运动看成等效正弦运动，则运动频率ω＝1.256l/s。设计系统控制器时，先由规定的角度跟踪指标，计算出角度环、速度环和电流环的设计指标，然后再按控制系统设计的方法设计。

取角度环剪切频率：ω_c＝15l/s＞10ω＝12.56l/s；

速度环剪切频率：ω_v＝150l/s＞10ω_c＝150l/s；

电流环剪切频率：ω_i＝500l/s＞5ω_v＝450l/s；

控制系统设计的一般原则是：从内环开始向外环一环一环逐环设计。首先设计电流环，然后把设计好的电流环作为速度环的一个环节来设计速度环。以此类推。

根据系统的性能参数和电机的数学模型，经仿真得到位置环，速度环和电流环控制器的参数，由离散PI算法把模拟控制律离散化，位置环的采样时间是T1＝0.01s，速度环的采样时间是T2＝0.001s，电流环的采样时间是T3＝67μs。

对DSP的初始化和系统参数进行初始化，等待中断来临。如图1系统主程序流程图所示。

第二步：设计控制算法程序

图2为控制算法流程图，高精度BDCM位置伺服系统有三环控制：位置环、速度环和电流环(转矩环)。这三环控制均采用离散PID控制律来控制。

实际的位置信号由绝对值编码器获得，绝对值编码器，主要对无刷直流力矩电机的位置信号进行检测。本发明采用SUMTAK的AEI-001-2048多圈绝对值编码器测量负载角度。AEI-001-2048每圈的脉冲数为2048(最大为8192)，数码的传送使用串行传递方式，最大距离为50m编码器输出的串行数码(EIARS-422A标准)通过解码芯片DN1811BP转换成32位并行数据。图3为绝对值编码器计数值流程图。编码器串行输出协议RS-422A工作与同步传送方式，全双工。因为DSPF2812A是16位数据线，所以转化后的32位并行数据分两次读入DSP。每1bit速度为1μs，一次周期后立即下一个周期，共两次完成一个循环的输出。数据的传输格式如下表所示：

DN1811	第一次数据	第二次数据
			D00	D0	D15
D01	D1	D16
			D02	D2	D17
D03	D3	D18
			D04	D4	D19
D05	D5	D20
			D06	D6	D21
D07	D7	D22
			D08	D8	D23
D09	D9	D24
			D010	D10	STAT0/SYSD
D011	D11	STAT1/OVER
			D012	D12	STAT3/BATT
D013	D13	STAT4
			D014	D14	STAT5
D015	0	1

数据定义：D0～D11是1转内数据；D12～D24是转数数据；D15在第一次输送中为“0”，在第二次输送为“1”；STAT0：系统失败标志位；STAT1：计数溢出标志位；STAT3：电池报警标志位；STAT4：预置状态标志位，位置动作开始时为“1”，结束后为“0”；STAT5：计数器异常标志位。

读入的32位数据有24位是角度数据，8位是控制状态信号。读入数据后，在对数据解码计算：首先确定D15位，将得到的两组数据与0x8000求与运算，得到0x0000即为第一次传送的数据，另一组为第二此传送的数据；然后由第一次传送的数据与0x0FFF求与运算得到1转内数据；同理可以得到转数数据和各个状态位数据，当各个状态为都正常时即可得到负载转动的角度θ。位置给定信号θ^*与θ比较后得到位置误差Eθ信号，位置控制器数字PI算法输出转速给定值n^*，即 $n^{*}=\mathrm{E\θ}\×K_p[1+\frac{T_S}{T_I}]e\left(k\right).$

实际的速度信号通过光电编码器获得，采用M/T法获得实际转速信号n。如下：

$n=\frac{60f_c{m}_1}{N{m}_2}$

其中：N为传感器每周产生的脉冲个数；

T_d为检测时间；

m₁为T_d时间内传感器产生的脉冲个数；

m₂为T_d时间内记取时钟脉冲的脉冲数；

f_c为时钟脉冲的频率。

当n^*＞n_max时，取n^*＝n_max，当n^*＜-n_max，取n^*＝-n_max，其中n_max是转速极限值。转速给定信号n^*与n比较后得到位置误差En信号，转速控制器数字P算法输出电流给定值I^*，即I^*＝En×K_pe(k)。

当I^*＞I_max时，取I^*＝I_max，当I^*＜-I_max，取I^*＝-I_max，其中I_max是转速极限值。

3.进行摩擦力矩的自适应补偿，本发明采用LuGre摩擦模型，图4所示是LuGre模型摩擦力与速度之间的关系图，其中：(1)弹性形变阶段；(2)边界润滑阶段；(3)部分液体润滑阶段；(4)全液体润滑阶段。

LuGre模型为：

$F={\mathrm{\σ}}_{0}z+{\mathrm{\σ}}_1\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\σ}}_2\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}=\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-\frac{\left|\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right|}{g\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)}z---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_{0}g\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)=F_c+(F_s-F_c)e^{-{\left(\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_S}\right)}^2}---\left(3\right)$

式中，

为摩擦表面的相对速度(rad/s)，z为粘滞状态下相对运动表面间的相对变形量(rad)；σ₂为粘性摩擦系数(Nm/(rad/s))；σ₀为移动前的微观变形量z的刚度(Nm/rad)；σ₁为

的动态阻尼(Nm/(rad/s))。式(2)第一项描述了与位移成正比的形变，第二项保证在速度恒定时的稳态值 $z_{\mathrm{ss}}=g\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right),$ 所以式(1)的稳态就是：

$F_{\mathrm{ss}}=\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)(F_c+(F_s-F_c)e^{-{\left(\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_s}\right)}^2})+{\mathrm{\σ}}_2\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

(4)式正好是稳恒速度下的指数模型，因此LuGre模型能模拟出Stribeck现象。这个模型也能表现摩擦滞后、变化的静摩擦、以及Dahl等现象。

为保证模型可以实现，必须保证以下两条性质：

(1)模型中形变z应为有限量。

设 $0<g\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\right)\&le;a,$ 如果|z(0)|≤a，那么|z(t)|≤a， $\&ForAll;t\&GreaterEqual;0.$

(2)摩擦是耗费能量的。由于由式(1)和式(2)给出的摩擦模型是动态的，所以应该有储存能量阶段和释放能量阶段。这可通过模型中映射：

是耗散的来证明。

当存在 $\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\left(t\right)=z^2\left(t\right)/2$ 时，则 ${\&Integral;}_0^{t}z\left(\mathrm{\&tau;}\right)\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\&GreaterEqual;\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\left(t\right)-\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\left(0\right),$

是耗散的。

式中，z描述了摩擦力的动态参数，即粘滞状态下相对运动表面间的相对变形量，这种状态不可测量，F_c、F_s、θ_s是描述当系统恒速运动的稳态特征参数。模型的所有参数需要实验测得。

对LuGre稳恒速度下模型进行处理的步骤如下：

(1)因为 $e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{x^n}{n!}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;(-\&infin;<x<+\&infin;),$ 所以 $F_{\mathrm{ss}}\&ap;\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\right)[F_c+(F_s-F_c)(1-{\left(\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_s}\right)}^2]+{\mathrm{\&sigma;}}_2\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}.$

(2)将F_ss转化成电磁力矩M_ss＝F_ss*r，其中r为摩擦力到轴心的距离。

(3)又因为电磁转矩M_d＝K_mi，其中K_m是电磁系数，为常数，i为驱动电流，可有电流传感器测得。

(4)由上可得摩擦力矩补偿器的补偿电流Δi＝M_ss/K_m，经电流环PI调节后得到 $\mathrm{\&Delta;u}=\mathrm{\&Delta;i}\&times;K_p[1+\frac{T_S}{T_I}]e\left(k\right),$ 即摩擦力矩补偿器的补偿量，该补偿量根据电机转速的不同而不同，即实现了自适应补偿。

图5为带摩擦力矩补偿器的电流环控制流程图。实际的电流信号I由霍尔电流传感器得到，霍尔电流传感器输出的信号经D/A转换后由DSP读取。电流给定值I^*与电流实际值比较得到电流误差ΔI，当I^*＞0时，ΔI＝I^*-I，当I^*＜0时，ΔI＝-I^*-I。对ΔI取绝对值后，再和摩擦力矩特性函数相加后经电流环PI调节后得到u，根据u计算占空比，进行正转矩和负转矩PWM寄存器更新。

第四步：产生控制信号

图6为电流环PWM占空比计算流程图，电流调节器是为了确定电子电枢绕组导通所需要的电压平均值，即PWM信号占空比，根据计算出的占空比设置相应的寄存器使DSP的事件管理器产生经摩擦力矩补偿后的PWM信号控制电机正确运行。

Claims (1)

1、一种无刷直流力矩电机位置伺服系统摩擦力矩自适应补偿方法，其特征是：

高精度BDCM位置伺服系统包括位置环、速度环和电流环三环控制，三环控制均采用离散PID控制律来控制；

由绝对值编码器获得实际的位置信号，位置编码器输出串行的角度信号，通过DN1811解码产生32位的并行数据信号，DSPF2812A有16位数据线，32位数据分两次读入DSP，读入的32位数据有24位是角度数据，8位是控制状态信号，读入数据后，再对数据解码计算，得到负载转动的角度θ，位置给定信号θ^*与θ比较后得到位置误差Eθ信号，位置控制器数字PI算法输出转速给定值n^*；

光电编码器获得实际的速度信号，采用M/T法获得实际转速信号n，如下：

$n=\frac{60f_c{m}_1}{{\mathrm{Nm}}_2}$

其中：N为传感器每周产生的脉冲个数，

T_d为检测时间，

m₁为T_d时间内传感器产生的脉冲个数，

m₂为T_d时间内记取时钟脉冲的脉冲数，

f_c为时钟脉冲的频率，

当n^*＞n_max时，取n^*＝n_max，当n^*＜-n_max，取n^*＝-n_max，其中n_max是转速极限值，转速给定信号n^*与n比较后得到位置误差En信号，转速控制器数字P算法输出电流给定值I^*，

当I^*＞I_max时，取I^*＝I_max，当I^*＜-I_max，取I^*＝-I_max，其中I_max是转速极限值；

由霍尔电流传感器得到实际的电流信号I，霍尔电流传感器输出的信号经D/A转换后由DSP读取，电流给定值I^*与电流实际值比较得到电流误差ΔI，当I^*＞0时，ΔI＝I^*-I，当I^*＜0时，ΔI＝-I^*-I，对ΔI取绝对值后，再和摩擦力矩特性函数相加后经电流环PI调节后得到u，根据u计算占空比，进行正转矩和负转矩PWM寄存器更新；

由电流调节器确定电子电枢绕组导通所需要的电压平均值，即PWM信号占空比，根据计算出的占空比设置相应的寄存器使DSP的事件管理器产生经摩擦力矩补偿后的PWM信号控制电机正确运行。

Images