CN107026585B - 一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法，其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；上述系统采用摩擦力滞回控制方法。本发明不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。
Description
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摩擦力滞回控制方法。
背景技术
现有的超声波电机伺服控制系统的设计中由于力矩-速度滞回的存在，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。为了改善跟随的控制效果，我们设计了基于滞回补偿控制的超声波电机伺服控制系统。从力矩-速度跟随的实作结果中，我们发现系统在力矩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力矩输出造成影响，故基于滞回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，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
有鉴于此，本发明的目的是提出一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法，不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。
本发明采用以下方案实现：一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法，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：所述控制系统具体采用如下控制定律：
其中，Φ(t)表示摩擦补偿控制量，u(t)表示待输入的控制量,表示中间过程的控制量，表示θ估计值的微分，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，表示的微分，M表示受控压电定位机构的等效质量，表示M的估计值，表示FO估计值的微分，是FO的估计，FO是外部负载FL的未知界限，表示滞后力FH的估计，α0表示粘滞摩擦系数，表示α1的微分，α1是虚拟控制，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，x2表示电机转子的加速度，表示预先设定的运动轨迹的二次微分，σ0为正的常数，σ1为正的常数，σ2为正的常数，表示z的估计，z是不可测量的状态并且表示接触力的平均偏转；函数g(x)表示Stribeck效应曲线；c2、γθ、γM和γF是正的设计参数，和F0分别是θ、M和F0的估计，F0是外部负载FL的未知界限。
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，c1为固定增益。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明使用滞回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，故基于滞回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为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
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法，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。
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。
本发明一种基于滞回补偿控制的超声波电机伺服控制系统，由基于滞回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。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，所述基于滞回补偿控制的超声波电机伺服控制器设于所述控制芯片电路中。
基于观测器的超声波电机伺服控制系统滞回补偿控制，其特征在于：整个控制器的系统建立在观测器的基础上，在观测器的设计上也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Ap＝-B/J,BP＝J/Kt＞0,CP＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，Kt为电流因子，Tf(v)为摩擦阻力力矩，TL为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θr(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，我们使用近似摩擦力模型对其进行反步控制。
滞后摩擦力FH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fC是与速度无关的库仑摩擦，fS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。
由上面式子(2)(3)，磁滞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xm。假设滞后参数σ0、σ1、σ2和函数g是已知的，由于状态z不可测量，因此必须观察估计滞后力FH。为此，需要设计一个观察器来估计z(t)。
当滞后参数σ0，σ1，σ2和函数g已知时，可以在控制器设计中利用模型的结构来提高系统性能。
系统方程重写为
其中x1＝x，和是不确定参数，D是压电定位机构的线性摩擦系数。FL与未知界限F0有界。在设计自适应控制目标前，进行以下坐标变化：
其中α1是虚拟控制并且在后面确定。
变量z(t)不可测量，因此必须观察以估计滞后力FH。为此，设计一个非线性观测器来估计变量z如下：
其中Φ(t)是稍后导出的非线性函数，是正和有界函数。
·步骤1：从(6)到(8)，得到
设计虚拟控制律α1为:
其中c1是正的设计参数。从(10)和(11)有：
·步骤2：从(6)和(8)有:
可以得到以下的控制律和参数更新定律：
其中c2、γθ、γM和γF是正的设计参数，和F0分别是θ、M和F0的估计，F0是外部负载FL的未知界限。参数更新定律用于估计外部负载FL的界限F0，因此不需要知道该界限。
以下说明如何得到上述式子(14)-(20)
当
其中u可以表示为
V的导数为
通过使上式的最后四项分别为零，获得Φ(t)，θ，M和Fo。从而，
基于(26)，我们可以得到系统稳定性和性能的结果，如下所述:
考虑不确定的非线性系统(1)，使用控制器(15)，观测器(9)和参数更新定律(17)，(18)和(19)，以下性能成立：
·实现渐近跟踪，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:
瞬态性能取决于初始估计误差和初始估计值越接近真实值，瞬态性能越好。渐近行为不受初始估计误差的影响。本实施例通过增加自适应增益γM、γθ和γF来减小初始误差估计对瞬态性能的影响。为了改善位移跟踪误差性能，还可以增加增益c1。然而，增加增益c1也将增加如上所示的速度跟踪误差。改进闭环位移行为可以以控制信号振幅的增加为代价。建议将增益c1固定为某个可接受的值，并调整其他增益。通过固定增益c1，增加增益c2或通过同时增加γM,γθ和γF，本实施例可以实现所期望的小的跟踪误差。
本实施例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)
1.一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法，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，所述超声波电机伺服控制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超声波电机伺服控制系统，所述超声波电机伺服控制系统与超声波电机的输入端相连；
步骤S2：所述超声波电机伺服控制系统中采用如下控制定律：
其中，Φ(t)表示摩擦补偿控制量，u(t)表示待输入的控制量,表示中间过程的控制量，表示θ估计值的微分，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，表示的微分，M表示受控压电定位机构的等效质量，表示M的估计值，表示FO估计值的微分，是FO的估计，FO是外部负载FL的未知界限，表示滞后力FH的估计，α0表示粘滞摩擦系数，表示α1的微分，α1是虚拟控制，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，x2表示电机转子的加速度，表示预先设定的运动轨迹的二次微分，σ0为正的常数，σ1为正的常数，σ2为正的常数，表示z的估计，z是不可测量的状态并且表示接触力的平均偏转；函数g(x)表示Stribeck效应曲线；c2、γθ、γM和γF是正的设计参数；分别是θ、M的估计；其中，sign()表示的含义为符号函数，如果刮号里面的数据是正数，则sign()＝1，如果刮号里面的数据是负数，则sign()＝-1。
2.根据权利要求1所述的一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法，其特征在于：所述超声波电机伺服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所述的一种超声波电机伺服控制系统摩擦力滞回控制方法，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：
瞬态速度跟踪误差性能由下式给出：
其中，c1为固定增益；
其中，x(t)表示电机实际的运动轨迹曲线，xm(t)表示预先设定的运动轨迹给定曲线，表示实际运动轨迹曲线的一次微分，表示预先设定的运动轨迹给定曲线一次微分，表示θ估计值的初始值平方，表示M估计值的初始值平方，表示FO估计值的初始值平方，表示z估计值的初始值平方，||x(t)-xm(t)||2表示实际与给定的运动轨迹曲线的误差有效值，表示表示实际与给定的运动轨迹曲线一次微分的误差有效值。
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