CN103235505B - 双余度无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法和驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双余度无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法和驱动装置，滑模驱动控制器接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过滑模控制器算法控制，驱动双余度无刷直流电机工作，力矩通过传动齿轮组施加在受控舵面，使舵面按照给定的舵面位置信号进行动作。本发明平衡电机两套绕组电流，解决力纷争问题，提高控制精度，同时提高舵系统的可靠性。

Description

双余度无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法和驱动装置

技术领域

本发明涉及一种电动舵机的控制方法和驱动装置。

背景技术

无刷直流电动舵机具有体积小、可靠性高、性能优良的特点，在飞行器舵机系统中得到了广泛的应用。目前，舵机余度控制系统发展迅速，目前的成果有：公开号为CN101799689A的专利《双余度舵机控制器》采用双余度设计，但仅对功率驱动电路进行了双余度设计，出力电机仍为单余度电机，其系统可靠性有待提高；公开号为CN202632110U的专利《一种双余度舵机系统》也采用双余度设计，但是，其更侧重对系统的故障诊断与隔离，对于电机控制方法，依然采用经典的PID控制，控制精度不高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于双余度无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法和驱动装置，平衡电机两套绕组电流，解决力纷争问题，同时提高舵系统的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，控制器接收给定舵面位置θ_gv及预测舵面位置

第二步，计算舵面位置误差

第三步，建立滑模线

第四步，计算两个电极绕组的均流电流输出

式中：J为负载转动惯量，B为粘滞系数，ω为电机角速度，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；

第五步，分别采集两个电机绕组的电流反馈信号i₁和i₂，计算电流误差信号及

第六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；

第七步，建立灰色模型GM(1,1)：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b

得出系统相应的白化方程为：

其中，参数-a为发展系数，参数b为灰色作用量，

连续采集t-4,.t.时,刻对应舵面位置θ(t-4),...,θ(t)，构成非负序列X⁽⁰⁾＝(θ(t-4),θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t))；

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))，

其中，k＝1,2,...,5；

第八步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))，其中，k＝2，...，5；

第九步，计算中间矩阵Y，B^T

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

则灰色系统GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；

第十步，计算舵机系统t+1时刻舵面位置：

转至第一步。

本发明还提供如下的驱动装置：包括滑模驱动控制器、双余度无刷直流电机、传动齿轮组和受控舵面。滑模驱动控制器接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过滑模控制器算法控制，驱动双余度无刷直流电机工作，力矩通过传动齿轮组施加在受控舵面，受控舵面按照给定的舵面位置信号进行动作。

其中，滑模驱动控制器包括控制器DSP、数字隔离电路单元、驱动电路单元、主功率电路单元、电流采集电路单元，位置给定信号调理电路单元、位置反馈及调理电路单元和RS-422通信单元。舵面位置给定信号和舵面位置反馈信号经过位置给定信号调理电路单元和位置反馈及调理电路单元输入DSP进行模数转换，DSP接收到舵面位置指令后，通过滑模控制算法，输出驱动信号，驱动信号经数字隔离电路单元、驱动电路单元，驱动主功率电路单元的功率管，控制双余度无刷直流电机工作。无刷直流电机的母线电流经电流采集电路单元采样，实现电流环闭环控制。与传动齿轮组相连的位置传感器实时反馈舵面的当前位置，传送给DSP，完成舵面位置闭环控制。舵面位置实际测量值经RS-422通信单元传给上位机进行监测。

本发明的有益效果是：以双余度无刷直流电动机伺服系统为研究对象，提出了一种滑模均流控制策略，平衡电机两套绕组电流，解决力纷争问题，同时提高舵系统的可靠性。

附图说明

图1为控制过程流程图。

图2为舵机控制系统驱动装置结构。

图中，1—舵机控制器，2—双余度无刷直流电机，3—传动齿轮组，4—受控舵面

其中，舵机控制器1包括：5—RS-422通信单元，6—给定信号调理电路单元，7—DSP控制单元，8—数字隔离电路单元，9—驱动单元，10—主功率电路单元，11—电流传感器，12—反馈信号调理电路，13—舵面位置传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

第一步，控制器接收给定舵面位置θ_gv及预测舵面位置转至第二步。

第二步，计算舵面位置误差转至第三步。

第三步，建立滑模线其中，为灰色模型GM(1,1)预测的系统下一时刻舵面位置；转至第四步。

第四步，计算均流电流输出其中：

式中：J为负载转动惯量，为对给定舵面位置的一次微分，为给定舵面位置的二次微分，B为粘滞系数，ω为电机角速度，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；转至第五步。

第五步，分别采集电机绕组1电流反馈信号i₁及电机绕组2电流反馈信号i₂，计算电流误差信号及转至第六步。

第六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；转至第七步。

第七步，建立灰色模型GM(1,1)：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b

系统相应的白化方程为：

其中，参数-a为发展系数，反映了灰色系统GM(1,1)的发展态势，参数b为灰色作用量，是从背景值中发掘出来的的数据。

连续采集t-4,.t.时,刻对应舵面位置θ(t-4),...,θ(t)，构成非负序列X⁽⁰⁾＝(θ(t-4),θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t))。

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))

其中，k＝1,2..,；转至第八步。

第八步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))其中，k＝2，...，；转至第九步。

第九步，计算中间矩阵Y，B^T

其中，

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

则灰色系统GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；转至第十步。

第十步，计算舵机系统t+1时刻舵面位置：

转至第一步。

如图2所示，本发明包括舵机控制器1，双余度无刷直流电机2，传动齿轮组3，受控舵面4。舵机控制器1接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过控制器算法控制，驱动双余度无刷直流电机2工作，力矩通过传动齿轮3组施加在受控舵面4，使受控舵面4按照给定的舵面位置信号进行动作。

其中，舵机控制器部分包括：RS-422通信单元5，给定信号调理电路单元6，DSP控制单元7，数字隔离电路单元8，驱动电路单元9，主功率电路单元10，电流传感器11，反馈信号调理电路12，舵面位置传感器13。舵面位置给定信号和舵面位置反馈信号分别经过给定信号调理电路6和反馈信号调理电12，DSP控制单元7，进行转换，通过控制算法控制，输出驱动信号，驱动信号经数字隔离8、驱动电路9，驱动主功率电路10的功率管，控制双余度无刷直流电动机2工作。力矩通过传动齿轮3组施加在受控舵面4，使受控舵面4按照给定的舵面位置信号进行动作。无刷直流电机的母线电流经电流传感器11采样，送入DSP控制单元7，实现电流环闭环控制。与传动齿轮组3的相连的位置传感器13实时反馈受控舵面4的当前位置，传给DSP控制单元7，完成舵面位置闭环控制。舵面位置实际测量值经RS-422通信单元5传给上位机进行监测。

Claims (3)

1.一种双余度无刷直流电动舵机的灰色滑模控制方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，控制器接收给定舵面位置θ_gv及预测舵面位置

第二步，计算舵面位置误差

第三步，建立滑模线

第四步，计算两个电极绕组的均流电流输出

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_1=\[Jc{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{gv}-Jc\mathrm{\ω}+J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{gv}+B\mathrm{\ω}+T_L+J\mathrm{\ξ}\mathrm{sgn}\left(s\right)+Jks\]/2K_T\\ {\hat{i}}_2=\[Jc{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{gv}-Jc\mathrm{\ω}+J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{gv}+B\mathrm{\ω}+T_L+J\mathrm{\ξ}\mathrm{sgn}\left(s\right)+Jks\]/2K_T\end{array}\right.$

式中：J为负载转动惯量，B为粘滞系数，ω为电机角速度，T_L为负载转矩，K_T为绕组平均转矩系数，ξ＞0,k＞0；

第五步，分别采集两个电机绕组的电流反馈信号i₁和i₂，计算电流误差信号及 $e_{i2}={\hat{i}}_2-i_2;$

第六步，进行均流环PID控制，驱动双余度无刷直流电机工作；

第七步，建立灰色模型GM(1,1)：

x⁽⁰⁾(k)+az⁽¹⁾(k)＝b

得出系统相应的白化方程为：

$\frac{x^{\left(1\right)}\left(t\right)}{dt}+{\mathrm{ax}}^{\left(1\right)}\left(t\right)=b$

其中，参数-a为发展系数，参数b为灰色作用量，

连续采集t—4,...,t时刻对应舵面位置θ(t-4),...,θ(t)，构成非负序列X⁽⁰⁾＝(θ(t-4),θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t))；

X⁽⁰⁾的1-AGO序列为：X⁽¹⁾＝(x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3),x⁽¹⁾(4),x⁽¹⁾(5))，

其中， $x^{\left(1\right)}\left(k\right)=\underset{i=t-4}{\overset{t-5+k}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}^{\left(0\right)}\left(i\right),$ k＝1,2,...,5；

第八步，计算X⁽¹⁾的近邻均值生成序列：Z⁽¹⁾＝(z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),z⁽¹⁾(4),z⁽¹⁾(5))，其中， $z^{\left(1\right)}\left(k\right)=\frac{1}{2}\left(x^{\left(1\right)}\right(k)+x^{\left(1\right)}(k-1\left)\right),$ k＝2,...,5；

第九步，计算中间矩阵Y，B^T

Y＝[θ(t-3),θ(t-2),θ(t-1),θ(t)]^T

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}\left(3\right)& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

则灰色系统GM(1,1)的参数为：[a,b]^T＝(B^TB)^-1B^TY；

第十步，计算舵机系统t+1时刻舵面位置：

$\widehat{\mathrm{\θ}}(t+1)=\[\mathrm{\θ}(t-4)-\frac{b}{a}\]e^{-5a}(1-e^a);$ 转至第一步。

$B^T=\left[\begin{array}{cccc}-z^{\left(1\right)}\left(2\right)& -z^{\left(1\right)}\left(3\right)& -z^{\left(1\right)}\left(4\right)& -z^{\left(1\right)}\left(5\right)\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

2.一种利用权利要求1所述方法的双余度无刷直流电动舵机的驱动装置，包括滑模驱动控制器、双余度无刷直流电机，传动齿轮组和受控舵面，其特征在于：滑模驱动控制器接收舵面位置给定信号以及舵面位置反馈信号，经过滑模控制器算法控制，驱动双余度无刷直流电机工作，力矩通过传动齿轮组施加在受控舵面，使舵面按照给定的舵面位置信号进行动作。

3.根据权利要求2所述的用于双余度无刷直流电动舵机的驱动装置，其特征在于：所述的滑模驱动控制器包括控制器DSP、数字隔离电路单元、驱动电路单元、主功率电路单元、电流采集电路单元，位置给定信号调理电路单元、位置反馈及调理电路单元和RS-422通信单元；舵面位置给定信号和舵面位置反馈信号经过位置给定信号调理电路单元和位置反馈及调理电路单元输入DSP，进行模数转换，DSP接收到舵面位置指令后，通过滑模控制算法，输出驱动信号，驱动信号经数字隔离电路单元和驱动电路单元，驱动主功率电路单元的功率管，控制双余度无刷直流电机工作；双余度无刷直流电机的母线电流经电流采集电路单元采样，实现电流环闭环控制；与传动齿轮组相连的位置传感器实时反馈舵面的当前位置，传给DSP，完成舵面位置闭环控制；舵面位置实际测量值经RS-422通信单元传给上位机进行监测。