CN105656376A - 一种高精度三轴转台伺服控制器 - Google Patents

Abstract

一种高精度三轴转台提供一个能够保证其平稳、准确运行的伺服系统。采用无刷直流电动机作为驱动元件，测角元件选用了增量式码盘，并采用机理法建模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数，设计了满足指标要求的控制器。在设计控制器时，首先是在没有考虑摩擦死区造成的影响的情况下，设计出了满足要求的控制器。然后考虑实际情况，加入死区特性，对控制器进行了改进，并最后验证所设计的控制器满足要求。因为本转台控制系统要实现的是计算机控制，故在设计完模拟控制器后又将其进行了离散化，并给出了可直接用于编制计算机程序的差分方程。

Description

一种高精度三轴转台伺服控制器

技术领域

本发明涉及一种伺服控制器，特别涉及一种针对飞行实验的高精度三轴转台的位置伺服控制器。

背景技术

转台则是航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键硬件设备，在飞行器的研制过程中起着极其重要的作用。转台可以在实验室条件下模拟飞行器在空中实际飞行时的各种姿态，复现其运动时的动力学特征，从而对它们的制导系统、控制系统及其相应器件的性能进行反复仿真和测试，获得试验数据，并据此对其进行重新设计和改进，达到总体设计的性能指标要求。仿真转台性能的优劣直接关系到仿真实验的逼真性和置信度，是保证航空、航天型号产品和武器系统的精度和性能的基础。随着飞行器型号的不断更新，性能的日益提高，对导航和制导设备的性能和精度的要求也在不断提高。这就给仿真转台的整体制造水平提出了新的课题，也给转台伺服控制系统的设计与实现提出了更高的要求。

对于转台系统来说，控制系统设计就是在确定了台体结构、驱动方式及测量元件之后，最大限度地挖掘系统的潜力，使转台的性能达到或超过设计指标。在转台角位置伺服系统的控制器设计中，所碰到的主要的问题是系统频带扩展及低速平稳运行问题。在频率分析方法中，整个系统可以看成是一个滤波器，频带越宽输出的复现精度越高。所以实际的系统总是希望带宽要宽。但带宽的拓展要受到噪声干扰和不确定性的限制。由于摩擦死区的存在，造成系统存在稳态误差，而且会导致低速运行时的跳动或爬行现象，而转台系统要求低速运行时具备平稳性，因此就要消除或减小系统中摩擦力的影响。

发明内容

本发明的目的是为高精度三轴转台提供一个能够保证其平稳、准确运行的伺服系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种高精度三轴转台伺服控制器，其特征组成主要包括无刷直流电动机1和增量式码盘2，控制器3，其中无刷直流电动机1和增量式码盘2通过控制器连接，采用机理法建模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数，设计了满足指标要求的控制器。

根据权利要求1所述的一种高精度三轴转台伺服控制器，其特征在于所述的无刷直流电动机1，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动，简称SPWM，无刷直流电动机系统由永磁同步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理电路三部分组成。

根据权利要求1所述的一种高精度三轴转台伺服控制器，其特征在于所述的增量式码盘2的传递函数为:

$\left\{\begin{array}{c}{G}_d\left(s\right)=\frac{1+\mathrm{\&alpha;Ts}}{1+\mathrm{Ts}},\mathrm{\&alpha;}<1\\ {\mathrm{\&phi;}}_m=\arcsin \frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{1+\mathrm{\&alpha;}},{\mathrm{\&phi;}}_m\&Element;(0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\\ {\mathrm{\&omega;}}_m=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&alpha;}}T}\end{array}\right.$

在ω_m＝0.2rad/s处加一个φ_m＝-60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节

$G_d\left(s\right)=\frac{1.3398s+1}{18.6598s+1}$

减小了动静摩擦力矩之差，避免跳跃式跟踪的出现，保持了转台速度的平稳性，减小了伺服系统中摩擦力的影响。

本发明中采用无刷直流电动机作为驱动元件，测角元件选用了增量式码盘，并采用机理法建模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数，设计了满足指标要求的控制器。在设计控制器时，首先是在没有考虑摩擦死区造成的影响的情况下，设计出了满足要求的控制器。然后考虑实际情况，加入死区特性，对控制器进行了改进，并最后验证所设计的控制器满足要求。因为本转台控制系统要实现的是计算机控制，故在设计完模拟控制器后又将其进行了离散化，并给出了可直接用于编制计算机程序的差分方程。

电动转台的驱动元件选用无刷直流电动机，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动，简称SPWM。无刷直流电动机系统由永磁同步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理电路三部分组成。转子位置检测及处理电路对位置的输入信号进行处理，解算处转子位置并合成三相单位电流信号

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{pa}}=\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ u_{\mathrm{pb}}=\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ u_{\mathrm{pc}}=\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.$

三相单位电流信号与速度调节其输出的电流给定信号u相乘得到三相电流指令信号

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a^{*}=u\&CenterDot;\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ u_b^{*}=u\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ u_c^{*}=u\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.$

三相电流指令信号经三相电流调节器作用后，产生三相电流净给定指令用来控制由功率开关器件构成的SPWM逆变驱动电路，在电机绕组中得到与三相电流指令相对应的三相绕组电流，实现矢量控制。

由于摩擦在具有相对运动的机械系统中是不可避免的，造成死区在转台伺服系统中确实存在。死区特性最直接的影响是使系统存在稳态误差，而且还会导致低速运行时的跳动或爬行现象。当转速足够高时，控制信号起主导作用，运动是平稳的；当系统低速运行时，由于存在动静摩擦力矩之差，会出现跳跃式跟踪，不能保持速度的平稳性。而转台伺服系统要求具有低速平稳性，这就要减小或消除系统中摩擦力的影响。

$\left\{\begin{array}{c}{G}_d\left(s\right)=\frac{1+\mathrm{\&alpha;Ts}}{1+\mathrm{Ts}},\mathrm{\&alpha;}<1\\ {\mathrm{\&phi;}}_m=\arcsin \frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{1+\mathrm{\&alpha;}},{\mathrm{\&phi;}}_m\&Element;(0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\\ {\mathrm{\&omega;}}_m=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&alpha;}}T}\end{array}\right.$

在ω_m＝0.2rad/s处加一个φ_m＝-60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节的传递函数为

$G_d\left(s\right)=\frac{1.3398s+1}{18.6598s+1}$

本发明的优点：无刷直流电动机作为驱动元件，测角元件选用了增量式码盘，并采用机理法建模，之后对数字控制器进行了设计，在设计的时候考虑了转台在实际使用中的摩擦影响控制精度的因素，提高了系统的控制精度。

附图说明

图1为本发明的控制系统框图；

图2为无刷直流电动机系统原理框图；

图3为考虑低速运行死区影响时原系统校正后的阶跃响应曲线。

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：

结合图1，图1为本发明的控制系统框图。首先确定了转台伺服系统的实现方案，然后建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数，设计了满足指标要求的控制器。在设计控制器时，首先是在没有考虑摩擦死区造成的影响的情况下，设计出了满足要求的控制器。然后考虑实际情况，加入死区特性，对控制器进行了改进，并最后验证所设计的控制器满足要求。因为本转台控制系统要实现的是计算机控制，故在设计完模拟控制器后又将其进行了离散化，并给出了可直接用于编制计算机程序的差分方程。

结合图2，图2为无刷直流电动机系统原理框图。电动转台的驱动元件选用无刷直流电动机，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动(简称SPWM)。无刷直流电动机系统由永磁同步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理电路三部分组成。转子位置检测及处理电路对位置的输入信号进行处理，解算处转子位置并合成三相单位电流信号

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{pa}}=\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ u_{\mathrm{pb}}=\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ u_{\mathrm{pc}}=\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.$

三相单位电流信号与速度调节其输出的电流给定信号u相乘得到三相电流指令信号

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a^{*}=u\&CenterDot;\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ u_b^{*}=u\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ u_c^{*}=u\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.$

三相电流指令信号经三相电流调节器作用后，产生三相电流净给定指令用来控制由功率开关器件构成的SPWM逆变驱动电路，在电机绕组中得到与三相电流指令相对应的三相绕组电流，实现矢量控制。

结合图3，图3为考虑低速运行死区影响时原系统校正后的阶跃响应曲线。由于摩擦在具有相对运动的机械系统中是不可避免的，造成死区在转台伺服系统中确实存在。死区特性最直接的影响是使系统存在稳态误差，而且还会导致低速运行时的跳动或爬行现象。当转速足够高时，控制信号起主导作用，运动是平稳的；当系统低速运行时，由于存在动静摩擦力矩之差，会出现跳跃式跟踪，不能保持速度的平稳性。而转台伺服系统要求具有低速平稳性，这就要减小或消除系统中摩擦力的影响。

$\left\{\begin{array}{c}{G}_d\left(s\right)=\frac{1+\mathrm{\&alpha;Ts}}{1+\mathrm{Ts}},\mathrm{\&alpha;}<1\\ {\mathrm{\&phi;}}_m=\arcsin \frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{1+\mathrm{\&alpha;}},{\mathrm{\&phi;}}_m\&Element;(0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\\ {\mathrm{\&omega;}}_m=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&alpha;}}T}\end{array}\right.$

在ω_m＝0.2rad/s处加一个φ_m＝-60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节的传递函数为

$G_d\left(s\right)=\frac{1.3398s+1}{18.6598s+1}$

Claims (3)

1.一种高精度三轴转台伺服控制器，其特征组成主要包括无刷直流电动机(1)和增量式码盘(2)，控制器(3)，其中无刷直流电动机(1)和增量式码盘(2)通过控制器连接，采用机理法建模建立了无刷直流电动机系统的机理模型，并通过实验的方法得到了模型的具体参数，设计了满足指标要求的控制器。

2.根据权利要求1所述的一种高精度三轴转台伺服控制器，其特征在于所述的无刷直流电动机(1)，采用电流反馈型脉宽调制逆变驱动，简称SPWM，无刷直流电动机系统由永磁同步电动机、逆变驱动电路和转子位置检测及处理电路三部分组成。

3.根据权利要求1所述的一种高精度三轴转台伺服控制器，其特征在于所述的增量式码盘(2)的传递函数为:

$\left\{\begin{array}{cc}{G}_d\left(s\right)=\frac{1+\mathrm{\&alpha;Ts}}{1+\mathrm{Ts}},& \mathrm{\&alpha;}<1\\ {\mathrm{\&phi;}}_m=\arcsin \frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{1+\mathrm{\&alpha;}},& {\mathrm{\&phi;}}_m\&Element;(0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\\ {\mathrm{\&omega;}}_m=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\&alpha;}}T}& \end{array}\right.$

在ω_m＝0.2rad/s处加一个φ_m＝-60°左右的滞后校正环节。计算得出该环节

$G_d\left(s\right)=\frac{1.3398s+1}{18.6598s+1}$

减小了动静摩擦力矩之差，避免跳跃式跟踪的出现，保持了转台速度的平稳性，减小了伺服系统中摩擦力的影响。