CN108631693B - 一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法及系统 - Google Patents

一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法及系统，属于电机控制领域，解决了现有电动舵机在大幅度阶跃响应时，舵机输出大电流尖峰的问题。包括：对输入控制器的指令信号进行判断，识别阶跃信号；对输出的阶跃响应进行起跃控制量整形；对整形后的阶跃响应进行判断，识别出阶跃响应的进埠阶段；对进埠阶段的阶跃响应进行进埠控制量整形；将整形后的控制量发送给电动舵机，控制电动舵机工作。通过对控制量动态调整，减弱电机电枢峰值电流，同时增大电枢电流的有效输出时长；在抑制电枢电流峰值的同时，保证电动舵机的动态特性。无需额外的硬件资源开销，不增加电动舵机控制系统的体积和重量，可以有效提高电动舵机的可靠性和电磁兼容性能。

Description

一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法及系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法及系统。
背景技术
电动舵机伺服系统是一种高精度位置伺服系统,主要应用于飞行器、船舶、潜航器、机器人等领域。电动舵机的任务是精确控制舵面的偏转,使被控对象达到预期的姿态或位置。电动舵机的高动态快响应能力决定了所在平台整机的姿态控制系统的动态品质。
以弹用电动舵机为例，导弹飞行工况异常复杂，当导弹受到剧烈气流扰动或做大范围快速机动时，需要舵机响应幅值较大正负交替的阶跃指令输入。由于电动舵机中电机电枢电阻通常较小，在舵机启动时刻未建立有效的反电势，或在舵机加减速换向时刻外部电压与反电势同向叠加，此两种情况下，电机电枢两端的电压较大，舵机易输出显著的大电流尖峰。大电流尖峰输出容易引起供电模块过载，导致供电电压降低，控制器无法正常工作；引起舵机过度发热，导致舵机带载能力下降，甚至损坏绕组；引起剧烈的电磁辐射干扰，损害电磁兼容性能。因此，抑制电动舵机阶跃响应峰值电流是高动态快响应电动舵机研制的关键。
现有舵机电流抑制方案有电流闭环方案和增加母线支承电容方案等。其中，电流闭环方案需要增加电流采样电路，尤其对于中小型电动舵机系统，在控制系统体积、重量受限的条件下，一般采用一个控制器控制四个舵的一拖四结构，电流闭环方案需要较大的额外硬件资源开销，对于某些电动舵机应用，该方案甚至不可实现。增加母线支承电容方案通过母线支承电容的充放电，减弱电动舵机对供电模块的瞬时峰值输出功率的要求，但是流过电机电枢的峰值电流并没有减小，其仅能解决大电流尖峰造成的部分问题，并且带来了电动舵机上电时充电电流较大的新问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法及系统，用以解决现有电动舵机在大幅度阶跃响应时，舵机输出大电流尖峰的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
提供了一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法，包括以下步骤：
对输入控制器的指令信号进行判断，识别阶跃信号；
对控制器输出的阶跃响应进行起跃控制量整形，得到整形后的起跃控制量；
对上述整形后的阶跃响应进行判断，识别出阶跃响应的进埠阶段；
对进埠阶段的阶跃响应进行进埠控制量整形，得到整形后的进埠控制量；
将上述整形后的起跃控制量和进埠控制量输出给电动舵机，控制电动舵机工作。
本发明有益效果如下：通过对控制量输出的动态调整，减弱电机电枢的峰值电流，同时增大电枢电流的有效输出时长。即，通过将电枢电流削峰去顶，在抑制电枢电流峰值的同时，保证电动舵机的动态特性。实现电动舵机在大幅度阶跃指令时，舵机电枢电流的峰值抑制。无额外的硬件资源开销，不增加电动舵机控制系统的体积和重量，参数调节方便灵活，可以有效提高电动舵机的可靠性和电磁兼容性能，有利于提高整弹的技术指标。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述识别阶跃信号，包括：对指令信号幅度变化的大小进行判断，当指令信号幅度变化超过设定值M时，确定指令信号为阶跃信号，当前控制周期为阶跃响应过程，并将阶跃标志Step_flag1和Step_flag2置位；否则，确认指令信号不是阶跃信号，当前控制周期不是阶跃响应过程。
进一步，所述阶跃响应的进埠阶段识别，包括：根据阶跃标志Step_flag2的置位状态和阶跃响应位置误差大小进行判断，当阶跃标志Step_flag2处于置位状态且位置误差小于设定值P时，则确定当前控制周期为阶跃响应进埠阶段，进埠标志Step_reach置位，阶跃标志Step_flag2清零；否则，确定当前控制周期不是阶跃响应进埠阶段。
进一步，所述起跃控制量整形、进埠控制量整形均包括：对当前控制周期的控制量乘以比例系数，使得控制量的幅值不超过阈值T；所述比例系数根据控制周期的不同而不同。
进一步，所述起跃控制量输出整形、进埠控制量输出整形均包括：设定当前控制周期的控制量限幅值，使得控制量的幅值不超过阈值T；所述限幅值根据控制周期的不同而不同。
进一步，起跃控制量整形、进埠控制量整形还包括：进行温度循环试验，确定当前控制周期对应的比例系数的值。
另一方面，提供了一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制系统，包括：阶跃信号识别模块、起跃控制量整形模块、阶跃末段速度换向识别模块、进埠控制量整形模块；所述阶跃信号识别模块用于对输入控制器的指令信号进行判断，识别阶跃信号；所述起跃控制量整形模块用于对控制器输出的阶跃信号响应进行起跃控制量整形；所述阶跃末段速度换向识别模块用于对上述整形后的阶跃信号响应进行判断，识别出阶跃响应的进埠阶段；所述进埠控制量整形模块用于对进埠阶段的阶跃信号响应进行进埠控制量整形。
进一步，所述识别阶跃信号，包括：对指令信号幅度变化的大小进行判断，当指令信号幅度变化超过设定值M时，确定指令信号为阶跃信号，当前控制周期为阶跃响应过程，并将阶跃标志Step_flag1和Step_flag2置位；否则，确认指令信号不是阶跃信号，当前控制周期不是阶跃响应过程。
进一步，所述阶跃响应的进埠阶段识别，包括：根据阶跃标志Step_flag2的置位状态和阶跃响应位置误差大小进行判断，当阶跃标志Step_flag2处于置位状态且位置误差小于设定值P时，则确定当前控制周期为阶跃响应进埠阶段，进埠标志Step_reach置位，阶跃标志Step_flag2清零；否则，确定当前控制周期不是阶跃响应进埠阶段。
进一步，所述起跃控制量整形模块、进埠控制量整形模块均包括：对当前控制周期的控制量乘以比例系数，使得控制量的幅值不超过阈值T；所述比例系数根据控制周期的不同而不同。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法略图；
图2为本发明实施例中电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法流程图；
图3为本发明实施例中起跃控制量整形实现途径一；
图4为本发明实施例中起跃控制量整形实现途径二；
图5为本发明实施例中进埠控制量整形实现途径一；
图6为本发明实施例中进埠控制量整形实现途径二；
图7为本发明实施例中电动舵机阶跃响应峰值电流抑制系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个实施例，公开了一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法。如图1所示，包括：
步骤S1,识别阶跃信号，对输入控制器的指令信号进行判断，识别阶跃信号；
步骤S2，起跃控制量输出整形，对控制器输出的阶跃信号响应进行起跃控制量整形，得到整形后的起跃控制量；
步骤S3，阶跃末段速度换向识别，对上述整形后的阶跃信号响应进行判断，识别出阶跃响应的进埠阶段；
步骤S4，进埠控制量输出整形，对进埠阶段的阶跃信号响应进行进埠控制量整形，得到整形后的进埠控制量。
步骤S5，将整形后的起跃控制量、未进行整形的控制量、进埠控制量发送给电动舵机，控制电动舵机工作。
与现有技术相比，本实施例提供的一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法，实现电动舵机在大幅度阶跃指令时，舵机电枢电流的峰值抑制。无额外的硬件资源开销，不增加电动舵机控制系统的体积和重量，参数调节方便灵活，可以有效提高电动舵机的可靠性和电磁兼容性能，有利于提高整弹的技术指标。
具体来说：步骤S1，识别阶跃信号；
通过对输入控制器的指令信号幅度变化的大小进行判断，确定当前控制周期是否为阶跃响应过程，当指令信号变化幅度超过设定值M时，确定指令信号为阶跃信号，且确认当前控制周期为阶跃响应过程，则阶跃标志Step_flag1和Step_flag2置位；否则，则确认当前控制周期不是阶跃响应过程。
其中，设定值M的取值原则为：幅值为M的阶跃指令，其响应电流的最大值超过或接近允许值，此允许值一般取决于任务书指标要求、电路正常工作逻辑要求等；
需要说明的是，阶跃标志Step_flag1用于起跃阶段控制器输出的控制量输出整形，当完成起跃阶段控制量输出整形后，阶跃标志Step_flag1清零；阶跃标志Step_flag2用于辅助阶跃末段速度换向状态的识别，在阶跃末段速度换向时刻Step_flag1已经清零，此时则根据Step_flag2的是否处于置位状态来确定当前控制周期是否处于阶跃响应阶段。
步骤S2，起跃控制量整形；
对控制器输出的阶跃信号响应进行起跃控制量整形；当上述阶跃标志Step_flag1为置位状态时，则对信号的起跃控制量整形；
具体实施时，起跃控制量整形如图3、图4所示，对第一个控制周期控制量进行起跃控制量整形后，执行次数索引变量Output_Set_index1加1，然后判断Output_Set_index1是否大于设定值N1，当Output_Set_index1小于N1时，则对第二个控制周期控制量进行起跃控制量整形，执行次数索引变量Output_Set_index1加1，就这样依次将不同控制周期控制量进行整形，直到Output_Set_index1大于设定值N1，则表明处于阶跃响应阶段的所有控制周期的起跃控制量整形完成，此时将阶跃标志Step_flag1和变量Output_Set_index1清零。
起跃控制量整形有两种方式。第一种方式如图3所示，直接对第i个控制周期的控制量乘以对应的比例系数ki，使得控制量的幅值不超过阈值T，则完成第i个控制周期的控制量整形；需要说明的是，所述比例系数ki根据控制周期的不同而不同；ki为大于0小于1的浮点数，且一般ki小于ki+1；i为阶跃响应阶段中第i个控制周期(i≤N1)。阈值T的取值原则为：当控制量幅值为T时，其响应电流的最大值超过或接近允许值，此允许值一般取决于任务书指标要求、电路正常工作逻辑要求等；
第二种方式如图4所示，设定不同的控制量限幅值Ki，使得每个控制周期的控制量的幅值不超过阈值T。需要说明的是，假设输出量等于1对应100％占空比，则Ki为不大于1的浮点数，且一般Ki小于Ki+1。
需要说明的是，第i个控制周期对应的比例系数ki和Ki可以根据实验进行确定，具体地，当电动舵机工作温度一定时，该控制周期输出的控制量幅值分别乘以n(n从1-0变化)，当乘积刚好未超过阈值T时，确定此时的n为该温度下第i个控制周期对应的比例系数ki；
同时，ki和Ki还随着电动舵机温度的不同取不同值。一般温度越高ki和Ki越小，本领域人员可以通过温度循环试验获得具体数值。(示例性的，温度为20°时，k1＝0.1,k50＝0.5,k150＝0.8；K1＝0.2,K50＝0.6,K150＝0.8)。
需要说明的是，设定值N1的取值原则为：当进行起跃控制量整形N1次后，阶跃响应电流在允许范围内(取决于任务书指标要求、电路正常工作逻辑要求等)，N1可由试验获得，一般可取阶跃响应总时长的前20％时间内对应的控制周期数。示例性的，常温20°下，N1＝200。电动舵机的温度影响N1的取值，一般温度越高N1越小，具体数值可通过温度循环试验获得。
步骤S3，阶跃末段速度换向识别；
对上述整形后的阶跃信号响应进行判断，识别出阶跃响应的进埠阶段；根据Step_flag2是否置位和位置误差是否小于设定值P，确定当前控制周期是否为阶跃响应的进埠(即阶跃响应末段)过程，当阶跃标志Step_flag2处于置位状态且阶跃响应位置误差小于设定值P时，则确定当前控制周期为阶跃响应进埠过程，进埠标志Step_reach置位，阶跃标志Step_flag2清零；否则，则确定当前控制周期不是阶跃响应进埠过程。所述阶跃响应位置误差指：阶跃信号所引起的输出控制量位置(幅值)上的误差。
设定值P的取值原则为：当位置误差为P时，电机进入制动状态，响应电流出现峰值；P可由试验测试获得，如果不具备试验条件，优选的，P一般取阶跃命令幅值的十分之一。
步骤S4，对阶跃末段进埠控制量进行整形；
具体实施时，当Step_reach为置位状态时，进行进埠控制量整形；如图5、图6所示，对第一个控制周期进行进埠控制量整形后，执行次数索引变量Output_Set_index2加1，然后判断Output_Set_index2是否大于设定值N2，当Output_Set_index2小于N2时，则对第二个控制周期控制量进行进埠控制量整形，执行次数索引变量Output_Set_index2加1，就这样依次将不同控制周期控制量进行整形，直到Output_Set_index2大于设定值N2，则表明所有控制周期的进埠控制量整形完成，此时将进埠标志Step_reach和变量Output_Set_index2清零。
进埠控制量整形有两种方式。第一种方式如图5所示，直接对第i个控制周期的控制量乘以对应的比例系数qi，使得控制量的幅值不超过阈值T，则完成第i个控制周期的控制量整形；需要说明的是，所述比例系数qi根据控制周期的不同而不同；qi为大于0小于1的浮点数，且一般qi小于qi+1；i为阶跃指令过程中第i个控制周期(i≤N1)。阈值T的取值原则为：当控制量幅值为T时，其响应电流的最大值超过或接近允许值，此允许值一般取决于任务书指标要求、电路正常工作逻辑要求等；
第二种方式如图6所示，设定不同的控制量输出限幅值Qi，使得控制量的幅值不超过阈值T。需要说明的是，假设输出量等于1对应100％占空比，则Qi为不大于1的浮点数，且一般Qi小于Qi+1。
需要说明的是，第i个控制周期对应的比例系数qi和Qi可以根据实验进行确定，具体地，当电动舵机工作温度一定时，该控制周期输出的控制量幅值分别乘以n(n从1-0变化)，当乘积刚好未超过阈值T时，确定此时的n为该温度下第i个控制周期对应的比例系数。
同时，qi和Qi还随着电动舵机温度的不同取不同值。一般温度越高qi和Qi越小，具体数值可通过温度循环试验获得。(示例性的，温度为20°时，q1＝0.1,q50＝0.5,q150＝0.8；Q1＝0.2,Q50＝0.6,Q150＝0.8)。
需要说明的是，设定值N2的取值原则为：当进行进埠控制量N2次后，阶跃响应电流在允许范围内，N2可由试验获得，一般可取阶跃响应总时长的后10％时间内对应的控制周期数。示例性的，常温20°下，N2＝150。电动舵机的温度影响N2的取值，一般温度越高N1越小，具体数值可通过温度循环试验获得。
本发明的另一个具体实施例，公开了一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制系统；如图7所示，包括：阶跃信号识别模块、起跃控制量整形模块、阶跃末段速度换向识别模块、进埠控制量整形模块。
具体来说，阶跃信号识别模块通过指令信号幅度变化的大小确定当前控制周期是否为阶跃响应过程，如果指令变化幅度超过某设定值，阶跃标志Step_flag1和Step_flag2置位。
起跃控制量整形模块根据Step_flag1是否为置位状态，确定是否进行起跃控制量整形；在对每一控制周期进行起跃控制量整形后，判断所有控制周期起跃控制量整形是否执行完毕，如果所有起跃控制量整形循环执行完毕，阶跃标志Step_flag1清零。
阶跃末段速度换向识别模块根据Step_flag2是否置位和位置误差是否小于设定值，确定当前控制周期是否为阶跃响应的进埠(即阶跃响应末段)过程，如果确定为阶跃响应进埠过程，则进埠标志Step_reach置位，阶跃标志Step_flag2清零。
进埠控制量整形模块根据Step_reach是否为置位状态，确定是否执行进埠控制量整形循环；执行完一遍进埠控制量整形后，对整形次数索引变量进行判断，直到所有的控制周期进行进埠控制量整形后，进埠标志Step_reach清零。
需要说明的是，上述方法实施例和系统实施例基于相同或相似的原理，其相似之处可相互借鉴，且能达到相同的效果。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对输入控制器的指令信号进行判断，识别阶跃信号；
对控制器输出的阶跃响应进行起跃控制量整形，得到整形后的起跃控制量；
对上述整形后的阶跃响应进行判断，识别出阶跃响应的进埠阶段；
对进埠阶段的阶跃响应进行进埠控制量整形，得到整形后的进埠控制量；
所述起跃控制量整形、进埠控制量整形均包括：对当前控制周期的控制量乘以比例系数，使得控制量的幅值不超过阈值T；或者，设定当前控制周期的控制量限幅值，使得控制量的幅值不超过阈值；
将上述整形后的起跃控制量和进埠控制量发送给电动舵机，控制电动舵机工作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述识别阶跃信号，包括：对指令信号幅度变化的大小进行判断，当指令信号幅度变化超过设定值M时，确定指令信号为阶跃信号，当前控制周期为阶跃响应过程，并将阶跃标志Step_flag1和Step_flag2置位；否则，确认指令信号不是阶跃信号，当前控制周期不是阶跃响应过程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阶跃响应的进埠阶段识别，包括：根据阶跃标志Step_flag2的置位状态和阶跃响应位置误差大小进行判断，当阶跃标志Step_flag2处于置位状态且阶跃响应位置误差小于设定值P时，则确定当前控制周期为阶跃响应进埠阶段，进埠标志Step_reach置位，阶跃标志Step_flag2清零；否则，确定当前控制周期不是阶跃响应进埠阶段。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述比例系数根据控制周期的不同而不同。
5.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述限幅值根据控制周期的不同而不同。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，起跃控制量整形、进埠控制量整形还包括：进行温度循环试验，确定当前控制周期对应的比例系数的值。
7.一种电动舵机阶跃响应峰值电流抑制系统，其特征在于，包括：阶跃信号识别模块、起跃控制量整形模块、阶跃末段速度换向识别模块、进埠控制量整形模块；所述阶跃信号识别模块用于对输入控制器的指令信号进行判断，识别阶跃信号；所述起跃控制量整形模块用于对控制器输出的阶跃信号响应进行起跃控制量整形；所述阶跃末段速度换向识别模块用于对上述整形后的阶跃信号响应进行判断，识别出阶跃响应的进埠阶段；所述进埠控制量整形模块用于对进埠阶段的阶跃信号响应进行进埠控制量整形；
所述起跃控制量整形模块、进埠控制量整形模块均包括：对当前控制周期的控制量乘以比例系数，使得控制量的幅值不超过阈值T；或者，设定当前控制周期的控制量限幅值，使得控制量的幅值不超过阈值。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述识别阶跃信号，包括：对指令信号幅度变化的大小进行判断，当指令信号幅度变化超过设定值M时，确定指令信号为阶跃信号，当前控制周期为阶跃响应过程，并将阶跃标志Step_flag1和Step_flag2置位；否则，确认指令信号不是阶跃信号，当前控制周期不是阶跃响应过程。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述阶跃响应的进埠阶段识别，包括：根据阶跃标志Step_flag2的置位状态和阶跃响应位置误差大小进行判断，当阶跃标志Step_flag2处于置位状态且位置误差小于设定值P时，则确定当前控制周期为阶跃响应进埠阶段，进埠标志Step_reach置位，阶跃标志Step_flag2清零；否则，确定当前控制周期不是阶跃响应进埠阶段。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述比例系数根据控制周期的不同而不同。
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