CN108069021B - 一种舵机及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及无人机技术领域，尤其涉及一种舵机及其控制系统，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；伺服电机的输出轴与丝杠在轴向固定；丝杠与螺母螺纹配合；螺母与丝杠外套管在轴向固定，并且伺服电机的输出轴和丝杠外套管分布于螺母的两端；丝杠外套管插于固定管内，并且丝杠外套管可沿轴向往复运动；连杆传动机构的两端分别铰接于旋翼和丝杠外套管的另一端。本申请所提供的舵机及其控制系统可以避免了出现回差、振动等问题，提高了舵机运行的平稳性和随动的准确性，提高了舵机控制的精度，减小了响应滞后保证了舵机更加平稳、可靠的运行。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种舵机及其控制系统。
背景技术
无人机是一种以无线电遥控或自身程序控制为主的不载人飞机，随着无人机技术的迅猛发展，无人机被广泛应用于新闻、救灾、监察、安全、农业、军事等各种领域，并且对无人机性能的要求也向全天候、大负载、长航时、高速、高机动能力等方向发展，这些性能的实现均落实到了舵机控制系统的性能上。舵机是无人机的动力来源，现有的舵机是电机-齿轮组的传动模式，这种传动模式导致舵机在工作中出现回差、振动等问题，并且现有的舵机采用基本PI控制器的三闭环结构和单反馈器件的组合形式，在应用中存在对输入信息随动性能差、响应滞后、系统可靠性存在隐患等问题。
因此，改善无人机舵机工作中机械传动的平稳性、控制系统的随动性能以及反馈系统的可靠性等问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种舵机及其控制系统，以避免无人机舵机工作中出现回差、振动、随动性能、可靠性能差等问题。
为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种舵机，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；所述伺服电机的输出轴与所述丝杠在轴向固定；所述丝杠与所述螺母螺纹配合；所述螺母与所述丝杠外套管在轴向固定，并且所述伺服电机的输出轴和所述丝杠外套管分布于所述螺母的两端；所述丝杠外套管插于所述固定管内，并且所述丝杠外套管可沿轴向往复运动；所述连杆传动机构的两端分别铰接于所述旋翼和所述丝杠外套管的另一端。
一种舵机控制系统，控制上述舵机，包括：转动惯量观测器、速度环前馈控制器和速度环控制器，所述转动惯量观测器测试所述伺服电机的等效转动惯量，将其输入速度环前馈控制器，所述速度环前馈控制器基于速度环的频率特性、等效转动惯量确定速度调节曲线，结合调节时间确定速度前馈输入量，按参考输入角度计算出速度前馈值，将所述速度前馈值作为所述速度环控制器的部分输入值。
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：负载转矩观测器、电流环前馈控制器和电流环控制器，所述负载转矩观测器测试所述伺服电机的转矩并将其输入电流环前馈控制器，得到力矩电流补偿值，并且将所述力矩电流补偿值作为所述电流环控制器的部分输入值。
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：位置环滤波器和位置环控制器，所述位置环滤波器连通所述位置环控制器的输入侧，并且对输入所述位置环控制器的位置环的参考输入角度中的干扰信息进行滤除。
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：速度环滤波器，所述速度环滤波器连通所述速度环控制器的输出侧与所述电流环控制器的输入侧，并且对输入所述电流环控制器的电流环的给定输入量中的干扰信息进行滤除。
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：伺服电机角度和转速计算器，所述伺服电机角度和转速计算器计算所述伺服电机转子初始角度、低速运行的角度和转速、计算高速运行的角度和转速。
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，所述伺服电机角度和转速计算器计算低速运行的角度和转速，具体包括：
在所述伺服电机中注入高频小幅值电压，得到αβ坐标系中高频注入信号的电压电流关系；
设定电机绕组为感性负载，经简化处理，得到高频注入模型；
对高频注入模型求解得到高频电流；
将高频电流整理为正序电流矢量和负序电流矢量合成的形式；
对电流信号经带通和同步轴系高通滤波器处理后得到负序高频电流信号，利用外差法获取转子位置误差信号；
经过转子位置跟踪观测器和闭环回路的调节得到低速运行的转子角度估计值
经差分计算得到低速运行的转速估计值
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，所述伺服电机角度和转速计算器计算高速运行的角度和转速，具体包括：
应用伺服电机的αβ坐标系的电压模型得到电流表达式和建立可调节电流模型；
伺服电机在运行过程中，根据上述模型采集并转换得到伺服电机的αβ坐标系电流值，按控制律调节上述模型中可调模型中的反电动势补偿值，直到电流的估计值与实际值相等完成调节；
定义滑模面；
取指数趋近率趋近于预定值，得误差调节率z；
对误差调节率z进行低通滤波，与上一时刻的反电势的估计值e*合成，得到当前时刻的反电动势的估计值
再进行低通滤波得到反电动势的周期更新值
更新反电动势数值，开始下一个周期的计算；
得到高速运行的转子角度估计值
与上一时刻的角度值进行差分计算得到高速运行的转速估计值
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，根据低速运行的转子角度估计值
和低速运行的转速估计值
与高速运行的转子角度估计值
和高速运行的转速估计值
计算估计角度和估计转速为：
估计角度为：
估计转速为：
其中，Whf和Wbemf为随转速进行切换的变化系数，是常数。
如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：传感器，所述传感器测量所述伺服电机的测量角度，根据所述测量角度计算测量转速；将所述测量角度和所述估计角度共同作为所述位置环控制器的位置环的反馈角度θf，将所述测量转速和所述估计转速共同作为所述速度环控制器的反馈转速ωf。
相对上述背景技术，本申请所提供的舵机及其控制系统，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；伺服电机的输出轴与丝杠在轴向固定；丝杠与螺母螺纹配合；螺母与丝杠外套管在轴向固定，并且伺服电机的输出轴和丝杠外套管分布于螺母的两端；丝杠外套管插于固定管内，并且丝杠外套管可沿轴向往复运动；连杆传动机构的两端分别铰接于旋翼和丝杠外套管的另一端。本申请所提供的舵机及其控制系统可以避免了出现回差、振动等问题，提高了舵机运行的平稳性和随动的准确性，提高了舵机控制的精度，减小了响应滞后保证了舵机更加平稳、可靠的运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例所提供的舵机的示意图；
图2是本申请实施例所提供的舵机控制系统的示意图；
图3是本申请实施例所提供的舵机控制系统计算计算角度和转速示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，本申请实施例提供了一种舵机，包括：伺服电机1、丝杠5、螺母6、丝杠外套管7、固定管、连杆传动机构9和旋翼10；伺服电机1的输出轴3与推力轴承4和轴承2等配合件配合，并且输出轴3与丝杠5在轴向固定；丝杠5与螺母6螺纹配合；螺母6与丝杠外套管8在轴向固定，并且伺服电机1的输出轴3和丝杠外套管7分布于螺母6的两端；丝杠外套管8插于固定管内，固定管可以和机架等部件固定连接，并且丝杠外套管8可沿轴向往复运动；连杆传动机构9的两端分别铰接于旋翼10和丝杠外套管8的另一端。
伺服电机1通电后通过输出轴3带动丝杠5转动，随着丝杠5的转动，与丝杠5螺纹配合的螺母6和与螺母6固定的丝杠外套管7沿着轴向往复运动，从而带动连杆传动机构9运动，进而带动旋翼10运动，由于本申请实施例中的舵机是通过伺服电机1的转动转化为丝杠外套管7往复活塞运动，进而带动旋翼运动，而往复活塞运动相对于现有舵机中的齿轮传动可以避免了出现回差、振动等问题，提高了舵机运行的平稳性和随动的准确性。
在上述基础上，本申请还提供了一种舵机控制系统，通过控制上述舵机中的伺服电机1达到控制上述舵机的目的，如图2所示，舵机控制系统包括：转动惯量观测器21、速度环前馈控制器22和速度环控制器27，转动惯量观测器21测试伺服电机1的等效转动惯量，将其输入速度环前馈控制器22，速度环前馈控制器22基于速度环的频率特性、等效转动惯量确定速度调节曲线，结合调节时间确定速度前馈输入量，按参考输入角度
计算出速度前馈值，将速度前馈值作为速度环控制器27的部分输入值。
请继续参阅图2，本申请实施例提供的舵机控制系统还包括：负载转矩观测器23、电流环前馈控制器24和电流环控制器29，负载转矩观测器23测试伺服电机1的转矩并将其输入电流环前馈控制器24，得到力矩电流补偿值，并且将力矩电流补偿值作为电流环控制器29的部分输入值。
通过速度环前馈控制器22中预存的速度环频率特性逆函数
通过电流环前馈控制器24中预存的电流环频率特性反函数
进行修正可以避免系统外部扰动对舵机控制的影响，提高了多舵机控制的精度，提高了随动性能、减小了响应滞后、提高了系统可靠性，其中，速度环频率特性反函数
和电流环频率特性反函数
分别是表征速度环运动规律和电流环运动规律的函数。
在上述基础上，还可以设置位置环滤波器25和位置环控制器26，位置环滤波器25连通位置环控制器26的输入侧，并且对输入位置环控制器26的位置环的参考输入角度
中的干扰信息进行滤除。还可以设置速度环滤波器28，速度环滤波器28连通速度环控制器27的输出侧与电流环控制器29的输入侧，并且对输入电流环控制器29的电流环的给定输入量
中的干扰信息进行滤除。通过将干扰信息的滤除可以减小舵机运行中的振动和噪声，提高舵机运行品质。
位置环滤波器25主要完成对位置环的参考输入角度
中的扰动信息的滤除，常选用低通滤波器，也可根据具体情况增加低通滤波器，当然位置环滤波器25也不限于一个滤波器，根据实际情况可以是多个不同功能的滤波器。
速度环滤波器28主要为陷波滤波器，用于减弱系统的谐振，可以采用一阶低通滤波器，主要用于滤除功率器件的开关扰动，而期间速度变化范围很大，为保证最优滤波效果(即减小信号的相位滞后和幅值衰减，又可保持对扰动幅值的有效衰减)，设计了变截止频率ωc的低通滤波器，并给出了相关的评价函数，
其中，a1、a2、a3为设定的优化权重，且a1+a2+a3＝1。k1为预期的相位变化值，k2为对干扰衰减比例的预期数值。ωui为第i段工作频率的最大角速度值，ωdistuib为扰动角速度，计算f(Ti)取得最大值的Ti，Ti为低通滤波器的时间常数，与截止频率有对应关系，作为截止频率的计算参考值。在工程中，可将转速划分为若干区间，然后依次计算出相应的截止频率，根据转速的测量，应用优化截止频率的低通滤波器进行数据处理，当然速度环滤波器28也不限于一个滤波器，根据实际情况可以是多个不同功能的滤波器。
此外，在对伺服电机1进行控制时，还需要测量伺服电机的参数，本申请实施例中所提供的舵机控制系统还包括：伺服电机角度和转速计算器，伺服电机角度和转速计算器计算伺服电机1的转子初始角度、低速运行的角度和转速、计算高速运行的角度和转速，请参阅图3，其中，伺服电机角度和转速计算器计算低速运行的角度和转速，具体包括：
步骤S71、在所述伺服电机中注入高频小幅值电压，得到αβ坐标系中高频注入信号的电压电流关系为，
其中，
为注入的高频小幅值电压矢量在α轴的投影、
为注入的高频小幅电压矢量在β轴的投影、R为伺服电机两相旋转坐标系等效电阻、
为注入的高频小幅电流矢量在α轴的投影、
为注入的高频小幅电流矢量在β的投影、L0为交轴与直轴电感平均值、ΔL为半差电感、ωe为转子电角速度、θ为转子的电角度、t为时间(电流对时间求导)；
步骤S72、设定电机绕组为感性负载，经简化处理，得到高频注入模型为，
其中，
为高频磁链在α轴的投影、
为高频磁链在β轴的投影、p为求导符号
步骤S73、对高频注入模型求解得到高频电流为
其中，vh为注入电压幅值、ωh为注入电压矢量的角速度；
步骤S74、将(3)高频电流整理为正序电流矢量和负序电流矢量合成的形式
其中,
为αβ坐标系的高频电流矢量、
为αβ坐标系的正序高频电流矢量、
为αβ坐标系的负序高频电流矢量、
为正序电流矢量相角的复指数、
为负序电流矢量相角的复指数；
步骤S75、对电流信号经带通和同步轴系高通滤波器处理后得到负序高频电流信号，利用外差法获取转子位置误差信号
其中，ε为调节误差、-iαn为变换后的负序电流α轴分量、
为估计的转子角度值、iβn为变换后的负序电流β轴分量、In为系数、Δθ为转子角度估计误差值；
步骤S76、经过转子位置跟踪观测器和闭环回路的调节得到低速运行的转子角度的估计值，将低速运行的转子角度的估计值记作
经差分计算得到低速运行的转速估计值，将低速运行的转速估计值记作
其中，在高频信号提取过程中，要用到高通滤波器Ghp(s)和带通滤波器Gbp(s)，经过滤波器处理后的信号都会产生相移，高通滤波器对信号附加一个超前相位，带通滤波器在中心频率的两侧，附加相位从超前到滞后线性变化，本申请实施例中在信号提取环节，设计了相对应的函数，可根据设定低速区的工作转速信息，计算带通滤波器的中心频率Ω0的右移频率值，令带通滤波器的滞后相位抵消高通滤波器对信号产生的的相移，令滤波处理导致的相移Δγ，减小信号的相位误差，提高角度辨识的准确性。
伺服电机角度和转速计算器还可以计算高速运行的角度和转速，具体包括：
步骤S81、应用伺服电机的αβ坐标系的电压模型
得到电流表达式和建立可调节电流模型，
其中，uα为伺服电机两相静止坐标系α轴电压、uβ为伺服电机两相静止坐标系β轴电压、iα为伺服电机两相静止坐标系α轴电流、iβ为伺服电机两相静止坐标系β轴电流、eα为反电势在α轴的投影、eβ为反电势在β轴的投影。
电流表达式为：
其中，
可调节电流模型为：
其中，
为估算的α轴电流值、
为估算的β轴电流值、
为上一时刻反电动势估计值的α轴分量、
为上一时刻反电动势估计值的β轴分量、zα为当前时刻α轴的反电势的修正值、zβ为当前时刻β轴的反电势修正值；
步骤S82、伺服电机在运行过程中，根据上述模型采集并转换得到伺服电机的αβ坐标系电流值，按控制律调节上述模型中可调模型中的反电动势值修正值，直到电流的估计值与实际值相等完成调节；
步骤S83、定义滑模面
其中，s1为滑模面、s2为滑模面、c11、c12为比例系数、c21、c22为积分系数、id为直轴电流、
为直轴电流估计值；
步骤S84、取指数趋近率
得误差调节率z
其中，k为趋近率的调节参数s为滑模面、εsin(s)为误差调节量；
步骤S85、对误差调节率z进行低通滤波，与上一时刻的反电势的估计值e*合成，得到当前时刻的反电动势的估计
值，再进行低通滤波得到反电动势的周期更新值
更新反电动势数值，开始下一个周期的计算；
步骤S86、得到高速运行的转子的角度估计值，将高速运行的转子角度估计值记作
其中θcomp为低通滤波器导致的相位补偿值，与上一时刻的角度值进行差分计算得到高速运行的转子转速估计值，将高速运行的转子转速估计值记作
其中，
为估计的α轴反电动势值、
为估计的β轴反电动势值。
为了保证对高速运行的角度和转速和低速运行的角度和转速计算的准确性，还可以实时跟踪伺服电机定子电阻的变化，进行绕组温度的间接测量，确保上述计算中数值的准确性，使伺服电机稳定运行。
还可以根据低速运行的角度和转速和高速运行的角度和转速计算估计角度和转速为：
估计角度为：
估计转速为：
Whf和Wbemf为随转速进行切换的变化系数，是常数。
继续参阅图3，在上述基础上还可以通过机械或光电传感器等传感器进行伺服电机角度和转速的测量，在舵机的控制系统中，通常采用旋转变压器作为伺服电机角度的测量元件，实现角度θe和转速ωe的测量。与估计角度和估计转速共同作为反馈值，具体可以是将测量角度θe和估计角度
共同作为位置环控制器的位置环的反馈角度θf，也就是位置环控制器的部分输入值；将测量转速ωe和估计转速
共同作为速度环控制器的速度环的反馈转速ωf，也就是速度环控制器的部分输入值；位置环控制器的输出值也作为速度环控制器的速度环的给定输入量ω*，也就是速度环控制器的又一部分输入值；在上述基础上还可以通过电流采样与变化器采集伺服电机的交轴电流iq，将交轴电流iq作为电流环控制器部分输入值。
通过不同方式测量对位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器的输入量，保证了舵机更加平稳、可靠的运行，增加了舵机的适用范围并且还有效的保证了舵机控制系统的随动性能以及反馈系统的可靠性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种舵机，其特征在于，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构、旋翼和舵机控制系统；
所述伺服电机的输出轴与所述丝杠在轴向固定；所述丝杠与所述螺母螺纹配合；所述螺母与所述丝杠外套管的一端在轴向固定，并且所述伺服电机的输出轴和所述丝杠外套管分布于所述螺母的两端；所述丝杠外套管插于所述固定管内，并且所述丝杠外套管可沿轴向往复运动；所述连杆传动机构的两端分别铰接于所述旋翼和所述丝杠外套管的另一端；
舵机控制系统包括：转动惯量观测器、速度环前馈控制器和速度环控制器，所述转动惯量观测器测试所述伺服电机的等效转动惯量，将其输入速度环前馈控制器，所述速度环前馈控制器基于速度环的频率特性、等效转动惯量确定速度调节曲线，结合调节时间确定速度前馈输入量，按参考输入角度计算出速度前馈值，将所述速度前馈值作为所述速度环控制器的部分输入值；
舵机控制系统还包括：负载转矩观测器、电流环前馈控制器和电流环控制器，所述负载转矩观测器测试所述伺服电机的转矩并将其输入电流环前馈控制器，得到力矩电流前馈值，并且将所述力矩电流前馈值作为所述电流环控制器的部分输入值；
舵机控制系统还包括：位置环滤波器和位置环控制器，所述位置环滤波器连通所述位置环控制器的输入侧，并且对输入所述位置环控制器的位置环的参考输入角度中的干扰信息进行滤除；
舵机控制系统还包括：速度环滤波器，所述速度环滤波器连通所述速度环控制器的输出侧与所述电流环控制器的输入侧，并且对输入所述电流环控制器的电流环的给定输入量中的干扰信息进行滤除；
速度环滤波器为变截止频率ωc的低通滤波器，其评价函数，
其中，a1、a2、a3为设定的优化权重，且a1+a2+a3＝1；k1为预期的相位变化值；k2为对干扰衰减比例的预期数值；ωui为第i段工作频率的最大角速度值；ωdistuib为扰动角速度，计算f(Ti)取得最大值的Ti；Ti为低通滤波器的时间常数，与截止频率有对应关系，作为截止频率的计算参考值。
2.根据权利要求1所述的舵机，其特征在于，舵机控制系统还包括：伺服电机角度和转速计算器，所述伺服电机角度和转速计算器计算所述伺服电机转子初始角度、计算低速运行的角度和转速、计算高速运行的角度和转速。
3.根据权利要求2所述的舵机统，其特征在于，所述伺服电机角度和转速计算器计算低速运行的角度和转速，具体包括：
在所述伺服电机中注入高频小幅值电压，得到αβ坐标系中高频注入信号的电压电流关系；
设定电机绕组为感性负载，经简化处理，得到高频注入模型；
对高频注入模型求解得到高频电流；
将高频电流整理为正序电流矢量和负序电流矢量合成的形式；
对电流信号经带通和同步轴系高通滤波器处理后得到负序高频电流信号，利用外差法获取转子位置误差信号；
经过转子位置跟踪观测器和闭环回路的调节得到低速运行的转子角度估计值
经差分计算得到低速运行的转速估计值
4.根据权利要求3所述的舵机，其特征在于，所述伺服电机角度和转速计算器计算高速运行的角度和转速，具体包括：
应用伺服电机的αβ坐标系的电压模型得到电流表达式和建立可调节电流模型；
伺服电机在运行过程中，根据应用伺服电机的αβ坐标系的电压模型得到的电流表达式采集并转换得到伺服电机的αβ坐标系电流值，按控制律调节应用伺服电机的αβ坐标系的电压模型建立的可调节电流模型中的反电动势补偿值，直到电流的估计值与实际值相等完成调节；
定义滑模面；
取指数趋近率趋近于预定值，得误差调节率z；
对误差调节率z进行低通滤波，与上一时刻的反电势的估计值e*合成，得到当前时刻的反电动势的估计值
再进行低通滤波得到反电动势的周期更新值
更新反电动势数值，开始下一个周期的计算；
得到高速运行的转子角度估计值
与上一时刻的角度值进行差分计算得到高速运行的转速估计值
5.根据权利要求4所述的舵机，其特征在于，根据低速运行的转子角度估计值
和低速运行的转速估计值
与高速运行的转子角度估计值
和高速运行的转速估计值
计算估计角度和估计转速为：
估计角度为：
估计转速为：
其中，Whf和Wbemf为随转速进行切换的变化系数，是常数。
6.根据权利要求5所述的舵机，其特征在于，舵机控制系统还包括：传感器，所述传感器测量所述伺服电机的测量角度，根据所述测量角度计算测量转速；将所述测量角度和所述估计角度共同作为所述位置环控制器的位置环的反馈角度θf，将所述测量转速和所述估计转速共同作为所述速度环控制器的反馈转速ωf。
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