CN109120181B - 一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，包括超声波电机，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；所述控制系统建立在增益限制方案的基础上，使用补偿器使得伺服系统极限环最小，从而能获得更好的伺服控制效能。

Description

一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环 抑制设计方法

技术领域

本发明涉及电机控制器领域，特别是一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法。

背景技术

现有的超声波电机伺服控制系统，当需要进行高精度的定位时，如果控制器的增益较高会引起系统的极限循环，这使得系统的定位性能明显降低。对于系统中的摩擦力和干扰非线性，如果补偿方案由一个死区函数和积分项组成，那么通过系数调整可以使系统处于稳定范围内，此方法不但使得系统稳定，而且在设定增益的时候，可以避免不正确的增益设定使系统产生极限循环。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，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。

本发明采用以下方案实现：一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，包括超声波电机，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；所述控制系统建立在增益限制方案的基础上，使用补偿器使得伺服系统极限环最小，从而能获得更好的伺服控制效能；

其中，超声波电机驱动系统的动态方程为：

式中，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；

所述增益限制方案采用的补偿器中，输入信号与输出信号之间的关系为：

式中，u(s)为输出信号，r(s)为输入信号，h(s)为补偿信号，K_p为控制增益的等效值，K_a为自适应增益参，K_s为所期望的上限增益值；

其中，补偿信号h(s)表示为：

h(s)＝h_e(s)/s＝[(u(s)-r(s)K_s)K_a]/s；

式中，h_e(s)表示补偿器的信号。

进一步地，考虑非线性系统：

式中，x表示电机转子的位移，

表示电机转子的速度，A表示为Hurwitz矩阵，b表示系统输出与无记忆非线性函数误差的补偿系数，u表示补偿器输出，

表示任意无记忆非线性函数，c表示系统状态系数向量，y表示系统输出，r表示补偿器输入，K_p表示控制器的增益；

其中，

满足：

式中，K表示输出量与无记忆非线性函数的比例系数；

在已知扇区范围的情况下，通过增益限制方案，根据圆或波波夫准则导出的增益值K_s限制系统控制增益K_p，从而稳定该非线性系统。

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，所述联轴器为弹性联轴器。

进一步地，所述超声波电机、光电编码器、力矩传感器分别经超声波电机固定支架、光电编码器固定支架、力矩传感器固定支架固定于一基座上。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明使用基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计，系统在极限环抑制的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，故基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计能有效的增进系统的动态性能，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，本发明配套的装置设计合理，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为本发明实施例的配套的装置示意图。

图2为本发明实施例的控制电路原理图。

图3为本发明实施例的增益限制补偿器方案框图。

图4为本发明实施例考虑的非线性系统示意图。

图5为本发明实施例的与系统相关联的扇区条件的图标示意图。

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。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，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。

本实施例整个控制器的系统建立在增益限制补偿器基础上，引入极限环抑制使得伺服系统跟踪误差最小，从而能获得更好的跟踪控制效能。状态向量的误差和期望的轨迹收敛到给定曲线，从而能获得更好的控制效能。

其中，超声波电机驱动系统的动态方程为：

式中，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；

如图3所示，在本实施例中，当输出信号u超过输入r和增益值 K_s的乘积时，信号h_e是非零值。也就是说，控制器增益被限制为低于 K_s的值，而不管分配给K_p的值是多少。如果输出信号u超出输入r 和增益值K_s，一个补偿器的信号h_e非零值来抵消输入信号r为了保持输出的上限u。因此，输出信号u与补偿信号之间的关系为：

h_e(s)＝(u(s)-r(s)·K_s)·K_a (3.1)

上式条件为如果u＞|r·K_s|或者u＜-|r·K_s|，否则h_e＝0。

其中K_a是自适应增益参数确定了补偿方案的收敛速度。

所述增益限制方案采用的补偿器中，输入信号与输出信号之间的关系为：

式中，u(s)为输出信号，r(s)为输入信号，h(s)为补偿信号，K_p为控制增益的等效值，K_a为自适应增益参，K_s为所期望的上限增益值；

其中，补偿信号h(s)表示为：

h(s)＝h_e(s)/s＝[(u(s)-r(s)K_s)K_a]/s (3.2)

式中，h_e(s)表示补偿器的信号。

方程(3.3)可以改写为：u(s)/r(s)＝(K_sK_aK_p+K_ps)/(K_aK_p+s) (3.4)

应该注意的是方程(3.2)、(3.3)和(3.4)仅当u＞|r·K_s|或者 u＜-|r·K_s|成立。

对于方程(3.4)可以看出，如果输入信号具有阶跃响应的形式，则控制器增益在稳态时等效于K_s值。

而且增益限制补偿器的收敛速度的增加可以从上面的讨论中的自适应增益参数K_q值提高。

通过限制K_p的值，可以有效地消除任何干扰系统性能的非线性现象。因此，在实际应用中，所提出的补偿器提供了一种简单而有效的机制，以防止用户错误地指定控制增益，从而降低系统性能。

在本实施例中，如图4所示，考虑非线性系统：

式中，x表示电机转子的位移，

表示电机转子的速度，A表示为Hurwitz矩阵，b表示系统输出与无记忆非线性函数误差的补偿系数，u表示补偿器输出，

表示任意无记忆非线性函数，c表示系统状态系数向量，y表示系统输出，r表示补偿器输入，K_p表示控制器的增益；

其中，

满足：

式中，K表示输出量与无记忆非线性函数的比例系数；

在已知扇区范围的情况下，通过增益限制方案，根据圆或波波夫准则导出的增益值K_s限制系统控制增益K_p，从而稳定该非线性系统。图5给出了图4所示的非线性系统的相应框图。在实际应用中，所提出的增益补偿方案能够保持任何非线性系统处于稳定状态，只要能得到非线性函数的扇形范围。

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 (4)

1.一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，其特征在于：包括超声波电机，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；所述控制系统建立在增益限制方案的基础上，使用补偿器使得伺服系统极限环最小，从而能获得更好的伺服控制效能；

其中，超声波电机驱动系统的动态方程为：

式中，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；

所述增益限制方案采用的补偿器中，输入信号与输出信号之间的关系为：

式中，u(s)为输出信号，r(s)为输入信号，h(s)为补偿信号，K_p为控制器的增益，K_a为自适应增益参数，K_s为所期望的上限增益值；

其中，补偿信号h(s)表示为：

h(s)＝h_e(s)/s＝[(u(s)-r(s)K_s)K_a]/s；

式中，h_e(s)表示补偿器的信号；

其中，考虑非线性系统：

式中，x表示电机转子的位移，

表示电机转子的速度，A表示为Hurwitz矩阵，b表示系统输出与无记忆非线性函数误差的补偿系数，u表示补偿器输出，

表示任意无记忆非线性函数，c表示系统状态系数向量，y表示系统输出，r表示补偿器输入，K_p表示控制器的增益；

其中，

满足：

式中，K表示输出量与无记忆非线性函数的比例系数；

在已知扇区范围的情况下，通过增益限制方案，根据圆或波波夫准则导出的增益值K_s限制控制器的增益K_p，从而稳定该非线性系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，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所述的一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，其特征在于：所述联轴器为弹性联轴器。

4.根据权利要求1所述的一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，其特征在于：所述超声波电机、光电编码器、力矩传感器分别经超声波电机固定支架、光电编码器固定支架、力矩传感器固定支架固定于一基座上。

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