CN106406093A

CN106406093A - 超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置及方法

Info

Publication number: CN106406093A
Application number: CN201610889716.0A
Authority: CN
Inventors: 傅平; 程敏
Original assignee: Minjiang University
Current assignee: Minjiang University
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2036-10-12
Also published as: CN106406093B

Abstract

本发明涉及一种超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置及方法，该装置包括控制系统、基座和设于基座上的超声波电机，超声波电机一侧输出轴与光电编码器连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载连接，飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器连接，光电编码器、力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统。该控制装置包括不对称滞回补偿控制器和电机组成，整个控制方法建立在补偿控制器的基础上，在控制器的设计上也以辨识误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能。该装置及其控制系统不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。

Description

超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电机控制器领域，特别是一种超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置及方法。

背景技术

现有的超声波电机伺服控制系统的设计中由于速度死区的存在，使得系统的性能受到影响，对周期重复信号控制时有一定的误差。

为了改善系统的跟随性能，我们设计了基于速度死区补偿的超声波电机伺服控制系统。从速度跟随的实作结果中，我们发现系统在速度关系基本是线性，且参数的变动、噪声、交叉耦合的干扰和摩擦力等因素几乎无法对于速度输出造成影响，故基于速度死区补偿的超声波电机伺服控制系统能有效的增进系统的控制效能，并进一步减少系统对于不确定性的影响程度，因此电机的力矩与速度控制可以获得较好的动态特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于速度死区补偿的超声波电机伺服控制系统，该装置及其控制系统不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置，包括控制系统、基座和设于基座上的超声波电机，其特征在于：所述超声波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系统；所述控制系统包括一不对称补偿控制器。

进一步的，所述控制系统包括超声波电机驱动控制电路，所述超声波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超声波电机的相应输入端相连接；所述不对称补偿控制器设置于控制芯片电路中。

进一步的，所述联轴器为一弹性联轴器。

本发明还提供一种超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：建立一不对称滞回数学模型，在不对称滞回数学模型的基础进行不对称补偿控制，从而使得系统力矩速度的特性接近线性关系，通过在减小辨识动态误差的同时也使得伺服系统滞回最小，具体包括以下步骤：步骤S1：超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t>0,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；步骤S2:建立一不对称滞回模型；步骤S3：输入信号v(t)先经过逆不对称系统，其输出作为控制信号进入不对称系统，使用不对称补偿控制使得系统力矩速度的特性接近线性关系。

进一步的，步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21：所述不对称滞回模型结合了函数S_r和密度函数p(r)描述迟滞的非线性，v(t)为输入信号，Φ[v](t)为不对称滞回系统的输出信号，r为系统待辨识的初始参数，所述不对称滞回模型为：

p(r)为密度函数，S_r[v](t)为函数，其定义如下：

S_r[v](t)＝s(v(t),S_r[v](t_i))，

对于t_i<t<t_i+1且0≤i≤N-1，

s(v,z)＝max(v_l-r,min(v_r(v)+r,z))

不对称滞回模型的输出表示为：

步骤S22：当输入单调递增或者单调递减时，不对称滞回模型的输出分别表示为∏⁺[v](t)和∏^-[v](t)：

当输入单调递增或者单调递减时，F_r[v](t)的输出表示为：

因此，式(2.45)表示为：

然后，得到式(2.45)为：

式(2.52)进一步的表示为：

因为包络函数γ_l和γ_r是可逆的，因此式(2.53)表示为：

得到不对称滞回模型的输出表示为：

不对称滞回模型的输出∏^-[v](t)表示为：

然后，将密度函数和F_r[v](t)代入逆不对称滞回模型的输出方程，得到方程为：

逆不对称滞回模型由初始加载曲线得到：

修改后的初始加载曲线不对称滞回模型表示为：

不对称滞回模型的密度函数表示为：

不对称滞回模型表示为：

上述公式表明，不对称滞回模型由初始加载曲线表示，逆不对称滞回模型表示为：

其中是逆模型的阈值而表示的是改进的逆初始载荷曲线；

步骤S23：不对称滞回模型表示为：

该模型(2.63)的逆表示为：

所以，逆不对称滞回模型表示为：

为了得到逆模型的参数，用下面方程：

当j＝1,2,Kn且r₀＝0时，F[v]等于信号的输入v：

F_r＝0[v]＝v (2.67)

当j＝0，不对称滞回模型的输出为：

∏[v](t)＝p(0)v (2.68)

因此，当r₀＝0时，逆不对称滞回模型表示为：

∏^-1[v](t)＝(p(0))^-1v (2.69)

改变阈值r，初始加载曲线表示为：

当且仅当p₀＝p(0)时；

以类似的方式改变初始加载曲线的阈值r，得：

当且仅当时；

逆的阈值是正的，并且与正的阈值相关；

式(2.66)的导数关于阈值表示为：

逆密度函数的权重用不对称模型表示为：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：使用不对称补偿控制的超声波电机伺服控制器，系统在力矩速度跟踪效果上有着显著的改善且参数的变动、噪声、交叉耦合的干扰和摩擦力等因素几乎无法对于运动系统效果造成影响，故基于不对称补偿控制的超声波电机伺服控制系统能有效的增进系统的控制效能，并进一步减少系统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

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

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。

本发明提供一种超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置，如图1所示，包括基座12和设于基座12上的超声波电机4，所述超声波电机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系统。所述控制系统包括一不对称补偿控制器。

上述超声波电机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固定于所述基座12上。

如图2所示，上述控制系统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。所述不对称补偿控制器(图中未画出)设置于控制芯片电路中。

本发明还提供一种基于不对称补偿控制的超声波电机伺服控制方法，由基于不对称补偿控制的超声波电机伺服控制器和电机来估测未知的滞回特性动态函数。

本发明通过建立一不对称滞回数学模型，在不对称滞回数学模型的基础进行不对称补偿控制，从而使得系统力矩速度的特性接近线性关系，通过在减小辨识动态误差的同时也使得伺服系统滞回最小，具体包括以下步骤：步骤S1：超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t>0,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；步骤S2:建立一不对称滞回模型；步骤S3：输入信号v(t)先经过逆不对称滞回系统，其输出作为控制信号进入不对称滞回系统，使用不对称补偿控制使得系统力矩速度的特性接近线性关系。

当电机的负载力矩较大时，电机力矩-速度特性的滞回不对称，为了减少此现象造成的影响，我们使用不对称滞回补偿控制对其进行控制。

不对称滞回模型的建模包括以下步骤：

不对称滞回模型结合了函数S_r和密度函数p(r)描述迟滞的非线性，v(t)为输入信号，Φ[v](t)为不对称滞回系统的输出信号，r为系统待辨识的初始参数。它表示为：

p(r)为密度函数。S_r[v](t)为函数，其定义如下：

S_r[v](t)＝s(v(t),S_r[v](t_i))，

对于t_i<t<t_i+1且0≤i≤N-1，

s(v,z)＝max(v_l-r,min(v_r(v)+r,z))

不对称滞回模型的输出可以表示为：

当输入单调递增或者单调递减时，不对称滞回模型的输出分别可以表示为∏⁺[v](t)和∏^-[v](t)：

当输入单调递增或者单调递减时，F_r[v](t)的输出可表示为：

因此，式(2.45)可以表示为：

然后，可以得到式(2.45)为：

式(2.52)可以进一步的表示为：

因为包络函数γ_l和γ_r是可逆的，因此式(2.53)可以表示为：

因此可以得到不对称滞回模型的输出可以表示为：

不对称滞回模型的输出∏^-[v](t)可以表示为：

然后，将密度函数和F_r[v](t)代入逆不对称滞回模型的输出方程，可得到方程为：

逆不对称滞回模型可由初始加载曲线得到：

修改后的初始加载曲线不对称滞回模型可以表示为：

不对称滞回模型的密度函数可以表示为：

不对称滞回模型可以表示为：

上述公式表明，不对称滞回模型可以由初始加载曲线表示。逆不对称滞回模型可以表示为：

其中是逆模型的阈值而表示的是改进的逆初始载荷曲线。

下面讨论逆不对称滞回模型的参数阈值和密度函数的影响。不对称滞回模型可以表示为：

该模型(2.63)的逆可以表示为：

所以，逆不对称滞回模型可以表示为：

为了得到逆模型的参数，可以用下面方程：

当j＝1,2,Kn且r₀＝0时，F[v]等于信号的输入v：

F_r＝0[v]＝v (2.67)

当j＝0，不对称滞回模型的输出为：

∏[v](t)＝p(0)v (2.68)

因此，当r₀＝0时，逆不对称滞回模型可以表示为：

∏^-1[v](t)＝(p(0))^-1v (2.69)

改变阈值r，初始加载曲线可以表示为：

当且仅当p₀＝p(0)时；

以类似的方式改变初始加载曲线的阈值r，可得：

当且仅当时；

逆的阈值是正的，并且与正的阈值相关。

式(2.66)的导数关于阈值可以表示为：

那么可以得出结论，逆密度函数的权重可以用不对称滞回模型可以表示为：

当系统工作时，输入信号v(t)先经过逆不对称滞回系统，其输出作为控制信号进入不对称滞回系统。由稳定性理论可以证明，上述系统是稳定的。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置，包括控制系统、基座和设于基座上的超声波电机，其特征在于：所述超声波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一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系统；所述控制系统包括一不对称补偿控制器。

2.根据权利要求1所述的超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置，其特征在于：所述控制系统包括超声波电机驱动控制电路，所述超声波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超声波电机的相应输入端相连接；所述不对称补偿控制器设置于控制芯片电路中。

3.根据权利要求1所述的超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制装置，其特征在于：所述联轴器为一弹性联轴器。

4.一种超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：建立一不对称滞回数学模型，在不对称滞回数学模型的基础进行不对称补偿控制，从而使得系统力矩速度的特性接近线性关系，通过在减小辨识动态误差的同时也使得伺服系统滞回最小，具体包括以下步骤：

步骤S1：超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t>0,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；

步骤S2:建立一不对称滞回模型；

步骤S3：输入信号v(t)先经过逆不对称滞回系统，其输出作为控制信号进入不对称滞回系统，使用不对称补偿控制使得系统力矩速度的特性接近线性关系。

5.根据权利要求4所述的超声波电机伺服控制系统不对称滞回补偿控制方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：所述不对称滞回模型结合了函数S_r和密度函数p(r)描述迟滞的非线性，v(t)为输入信号，Φ[v](t)为不对称滞回系统的输出信号，r为系统待辨识的初始参数，所述不对称滞回模型为：

p(r)为密度函数，S_r[v](t)为函数，其定义如下：

S_r[v](t)＝s(v(t),S_r[v](t_i))，

对于t_i<t<t_i+1且0≤i≤N-1，

s(v,z)＝max(v_l-r,min(v_r(v)+r,z))

不对称滞回模型的输出表示为：

当输入单调递增或者单调递减时，F_r[v](t)的输出表示为：

因此，式(2.45)表示为：

然后，得到式(2.45)为：

式(2.52)进一步的表示为：

因为包络函数γ_l和γ_r是可逆的，因此式(2.53)表示为：

得到不对称滞回模型的输出表示为：

不对称滞回模型的输出∏^-[v](t)表示为：

然后，将密度函数和F_r[v](t)代入不对称滞回逆模型的输出方程，得到方程为：

逆不对称滞回模型由初始加载曲线得到：

修改后的初始加载曲线不对称滞回模型表示为：

不对称滞回模型的密度函数表示为：

不对称滞回模型表示为：

其中是逆不对称滞回模型的阈值而表示的是改进的逆初始载荷曲线；

步骤S23：不对称滞回模型表示为：

该不对称滞回模型(2.63)的逆表示为：

所以，逆不对称滞回模型表示为：

为了得到逆不对称滞回模型的参数，用下面方程：

当j＝1,2,K n且r₀＝0时，F[v]等于信号的输入v：

F_r＝0[v]＝v (2.67)

当j＝0，不对称滞回模型的输出为：

∏[v](t)＝p(0)v (2.68)

因此，当r₀＝0时，逆不对称滞回模型表示为：

∏^-1[v](t)＝(p(0))^-1v (2.69)

改变阈值r，初始加载曲线表示为：

当且仅当p₀＝p(0)时；

以类似的方式改变初始加载曲线的阈值r，得：

当且仅当时；

逆的阈值是正的，并且与正的阈值相关；

式(2.66)的导数关于阈值表示为：

逆密度函数的权重用不对称模型表示为：