CN106655882A - 一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法，包括基座和设于其上的超声波电机，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。本发明在力矩速度跟踪效果上有着显著的改善，故摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制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。

Description

一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回 控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法。

背景技术

现有的超声波电机伺服控制系统的设计中由于摩擦力参数不确定，使得摩擦力对系统的性能造成一定的影响，而且力矩-速度滞回的存在，使得周期重复信号控制时有一定的误差。为了改善跟随的控制效果，本发明设计了摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制。从摩擦力控制跟随的结果中，我们发现在反步控制下摩擦力等因素几乎无法对于力矩输出造成影响，故摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制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，因此电机的速度控制可以获得较好的动态特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法，系统建立在摩擦力参数不确定的数学模型基础上，在减小辨识动态误差的同时也使得伺服系统滞回最小，从而能获得更好的输入输出控制效能。

本发明采用以下方案实现：一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供超声波电机伺服控制系统，所述系统包括基座和设于基座上的超声波电机，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，所述控制系统与超声波电机的输入端相连；

步骤S2：所述控制系统中建立在摩擦力参数不确定的数学模型基础上，在减小辨识动态误差的同时也使得伺服系统滞回最小，具体采用如下控制定律：

其中，M表示受控压电定位机构的等效质量，表示M的估计值，u是待输入的控制量、是中间过程的控制量、α₁是虚拟控制律、是不确定参数，D是压电定位机构的线性摩擦系数，为不确定参数，是θ估计值的微分、表示M估计值的微分、是F_O的估计，F_O是外部负载F_L的未知界限，是F_O估计值的微分；表示转子位移与给定值的误差、表示转子位移减去给定值微分与α₁后的误差，其中c₁，c₂，γ_θ，γ_M和γ_F为设计的正参数，x₁＝x，x表示电机转子的位移，表示电机转子的加速度，x_m表示预先设定的运动轨迹。

进一步地，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。

进一步地，所述步骤S2还包括：

瞬态位移跟踪误差性能由下式给出：

瞬态速度跟踪误差性能由下式给出：

其中，分别表示初始状态下θ(0)、M(0)、F_o(0)估计值的大小。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明在参数未知情况下，使用反步控制对超声波电机进行伺服控制，系统在力矩速度跟踪效果上有着显著的改善，故摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制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，本发明设计合理，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为本发明实施例的系统结构示意图。

图2为本发明实施例的电路结构示意图。

[主要组件符号说明]

图中：1为光电编码器，2为光电编码器固定支架，3为超声波电机输出轴，4为超声波电机，5为超声波电机固定支架，6为超声波电机输出轴，7为飞轮惯性负载，8为飞轮惯性负载输出轴，9为弹性联轴器，10为力矩传感器，11为力矩传感器固定支架，12为基座，13为控制芯片电路，14为驱动芯片电路，15、16、17分别为光电编码器输出的A、B、Z相信号，18、19、20、21分别为驱动芯片电路产生的驱动频率调节信号，22为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分别为控制芯片电路产生的驱动芯片电路的信号，29为超声波电机驱动控制电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法，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。

在本实施例中，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。

较佳的，本实施例由基于反步控制的超声波电机伺服控制器和电机来估测未知的摩擦力滞回特性动态函数。如上所述，在本实施例中，所述控制系统的硬件电路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，所述摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制器设于所述控制芯片电路中。

在本实施例中，在摩擦力参数不确定情况下，整个控制器的系统建立在反步控制的基础上，以误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能。

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。x是电机转子的位移，表示加速度，D是压电定位机构的线性摩擦系数。

为了消除电机摩擦力滞回造成的影响，本实施例使用近似摩擦力模型对其进行反步控制。

滞后摩擦力F_H由LuGre模型以下面的形式描述

其中z是不可测量的状态并且表示接触力的平均偏转，表示两个接触表面之间的相对速度，σ₀，σ₁和σ₂是正的常数，并且可以等价地解释为硬毛刚度和粘滞阻尼系数。此外，函数表示由给出的Stribeck效应曲线。

其中f_C是与速度无关的库仑摩擦，f_S是粘滞力，表示使物体从静态模式移动的临界力，是Stribeck速度。函数为正和有界。

假设滞后模型(3)中的参数σ₀，σ₁，σ₂，f_S，f_C，都是不确定的。滞后的残余效应被视为具有未知界限的有界干扰，使用更新定律来估计涉及滞后和外部负载的影响的界限。参数σ₀，σ₁，σ₂，f_C,f_S，中不需要先验信息，因此它们可以完全不确定。

由上面式子(2)(3)，滞回摩擦模型可以改写为：

系统的控制目标是设计反步自适应规则，使得电机的位移x可以跟踪任何期望的有界参考轨迹x_m。根据前面推论，(5)中的LuGre磁滞摩擦力F_H可以分为如下两部分：

可以证明R(t)有界。然后将与组合，并重写式(2)和(6)：

其中x₁＝x，和d(t)＝R+F_L，d(t)以未知的界限F_o为界。

这里给出最后控制律：

其中，M表示受控压电定位机构的等效质量，表示M的估计值，u是待输入的控制量、是中间过程的控制量、α₁是虚拟控制律、是不确定参数，D是压电定位机构的线性摩擦系数，为不确定参数，是θ估计值的微分、表示M估计值的微分、是F_O的估计，F_O是外部负载F_L的未知界限，是F_O估计值的微分；表示转子位移与给定值的误差、表示转子位移减去给定值微分与α₁后的误差，其中c₁，c₂，γ_θ，γ_M和γ_F为设计的正参数，x₁＝x，x表示电机转子的位移，表示电机转子的加速度，x_m表示预先设定的运动轨迹。

在本实施例中，确定u都是有界的，可以实现系统稳定性与渐近跟踪，即

瞬态位移跟踪误差性能由下式给出

瞬态速度跟踪误差性能由下式给出

其中，分别表示初始状态下θ(0)、M(0)、F_o(0)估计值的大小。

本实施例使用此控制可以得到在参数未知情况下近似模拟摩擦力的滞回特性，使用反步控制可以近似模拟摩擦力的滞回特性，从而控制电机的力矩速度关系。

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 (3)

1.一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：提供超声波电机伺服控制系统，所述系统包括基座和设于基座上的超声波电机，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，所述控制系统与超声波电机的输入端相连；

步骤S2：所述控制系统中建立在摩擦力参数不确定的数学模型基础上，在减小辨识动态误差的同时也使得伺服系统滞回最小，具体采用如下控制定律：

其中，M表示受控压电定位机构的等效质量，表示M的估计值，u是待输入的控制量、是中间过程的控制量、α₁是虚拟控制律、是不确定参数，D是压电定位机构的线性摩擦系数，为不确定参数，是θ估计值的微分、表示M估计值的微分、是F_O的估计，F_O是外部负载F_L的未知界限，是F_O估计值的微分；表示转子位移与给定值的误差、表示转子位移减去给定值微分与α₁后的误差，其中c₁，c₂，γ_θ，γ_M和γ_F为设计的正参数，x₁＝x，x表示电机转子的位移，表示电机转子的加速度，x_m表示预先设定的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法，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。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦力参数不确定条件下超声波电机伺服控制系统滞回控制方法，其特征在于：所述步骤S2还包括：

瞬态位移跟踪误差性能由下式给出：

$\left|\right|x\left(t\right)-x_m\left(t\right)|{|}_2\≤\frac{1}{\sqrt{c_1}}\×{(\frac{1}{2\mathrm{\γ}\mathrm{\θ}}\widetilde{\mathrm{\θ}}{\left(0\right)}^2+\frac{1}{2M\mathrm{\γ}M}\tilde{M}{\left(0\right)}^2+\frac{1}{2M\mathrm{\γ}F}{\tilde{F}}_o{\left(0\right)}^2)}^{1/2};$

瞬态速度跟踪误差性能由下式给出：

$\left|\right|\stackrel{\·}{x}-{\stackrel{\·}{x}}_m|{|}_2\≤(\frac{1}{\sqrt{c_2}}+\sqrt{c_1}){(\frac{1}{2\mathrm{\γ}\mathrm{\θ}}\widetilde{\mathrm{\θ}}{\left(0\right)}^2+\frac{1}{2M\mathrm{\γ}M}\tilde{M}{\left(0\right)}^2+\frac{1}{2M\mathrm{\γ}F}{\tilde{F}}_o{\left(0\right)}^2)}^{1/2};$

其中，分别表示初始状态下θ(0)、M(0)、F_o(0)估计值的大小。