CN110109422A - 一种伺服驱动器位置控制系统及方法 - Google Patents

一种伺服驱动器位置控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伺服驱动器位置控制系统及方法。所述系统包括混合结构控制器、转矩控制器和伺服电机；混合结构控制器的输出端通过转矩控制器与伺服电机的输入端连接；伺服电机的输出端与混合结构控制器的输入端连接；混合结构控制器用于接收上位机发送的目标位置指令和伺服电机输出的位置反馈指令，并产生转矩指令；转矩控制器用于根据转矩指令调节伺服电机的位置；伺服电机用于产生位置反馈指令，并发送至混合结构控制器。本发明通过设置混合结构控制器，在提高伺服驱动器位置响应特性的同时，提高了定位精度，实现了对伺服驱动器位置的快速、准确调节。

Description

一种伺服驱动器位置控制系统及方法
技术领域
本发明涉及伺服驱动器控制技术领域，特别是涉及一种伺服驱动器位置控制系统及方法。
背景技术
伺服驱动器的位置控制是伺服控制的主要实现形式。在实际伺服控制系统中，要求位置控制具备两方面特征：一是精确性，位置控制要实现精确定位，位置跟随误差尽可能小；二是高响应特性，位置控制要能快速跟随指令。因此，位置控制的准确性和快速性是伺服驱动器性能的重要组成部分。
目前，现有伺服驱动器的位置控制通常采用经典的三环控制结构，即转矩环、速度环、位置环的内环到外环的控制系统。基于转矩环、速度环、位置环的位置控制系统，存在以下缺点：一是位置响应特性受到速度环的限制，响应较慢，系统刚性不高；二是响应速度和动态超调不能同时实现最优。因此，亟待一种高定位精度、高响应特性的伺服驱动器位置控制系统出现。
发明内容
基于此，有必要提供一种伺服驱动器位置控制系统及方法，以在提高伺服驱动器位置响应特性的同时，提高定位精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种伺服驱动器位置控制系统，包括：混合结构控制器、转矩控制器和伺服电机；所述混合结构控制器的输出端通过所述转矩控制器与所述伺服电机的输入端连接；所述伺服电机的输出端与所述混合结构控制器的输入端连接；所述混合结构控制器用于接收上位机发送的目标位置指令和所述伺服电机输出的位置反馈指令，并产生转矩指令；所述转矩控制器用于根据所述转矩指令调节所述伺服电机的位置；所述伺服电机用于产生所述位置反馈指令，并发送至所述混合结构控制器。
可选的，所述混合结构控制器包括位置前馈控制器和位置反馈控制器；
所述位置前馈控制器的输出端与所述转矩控制器连接，用于根据接收到的所述目标位置指令产生前馈控制转矩指令；所述位置反馈控制器的输出端与所述转矩控制器连接，用于根据接收到的所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生反馈控制转矩指令；所述转矩指令为所述前馈控制转矩指令和所述反馈控制转矩指令之和。
可选的，所述位置前馈控制器包括高通滤波器和比例微分控制器；
所述高通滤波器与所述比例微分控制器连接；所述高通滤波器用于接收所述上位机发送的目标位置指令，并经过高通滤波后，发送至所述比例微分控制器；所述比例微分控制器用于产生所述前馈控制转矩指令。
可选的，所述位置反馈控制器包括第一支路和第二支路；所述第一支路与所述第二支路并联；
所述第一支路用于根据接收到的位置误差产生第一反馈控制转矩指令；所述位置误差是采用所述目标位置指令减去所述位置反馈指令得到的；所述第二支路用于根据所述位置误差产生第二反馈控制转矩指令，所述反馈控制转矩指令为所述第一反馈控制转矩指令和所述第二反馈控制转矩指令之和。
可选的，所述第一支路包括第一比例积分控制器；所述第一比例积分控制器用于根据接收到的所述位置误差产生第一反馈控制转矩指令。
可选的，所述第二支路包括微分惯性环节模块和第二比例积分控制器；所述微分惯性环节模块与所述第二比例积分控制器连接；所述微分惯性环节模块用于接收所述位置误差，并依次经过微分和低通滤波后，发送至所述第二比例积分控制器；所述第二比例积分控制器用于产生第二反馈控制转矩指令。
本发明还提供了一种伺服驱动器位置控制方法，包括：
获取上位机发送的目标位置指令和伺服电机输出的位置反馈指令；
依据所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生转矩指令，并将所述转矩指令发送至转矩控制器；
所述转矩控制器依据所述转矩指令控制伺服电机的输出转矩，以实现对所述伺服电机的位置的调节。
可选的，所述依据所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生转矩指令，并将所述转矩指令发送至转矩控制器，具体包括：
计算位置误差；所述位置误差是采用所述目标位置指令减去所述位置反馈指令得到的；
计算反馈控制转矩指令；所述反馈控制转矩指令是将所述位置误差输入至位置反馈控制器得到的；
计算前馈控制转矩指令；所述前馈控制转矩指令是将所述目标位置指令输入至位置前馈控制器得到的；
计算转矩指令；所述转矩指令为所述前馈控制转矩指令和所述反馈控制转矩指令之和；
将所述转矩指令发送至转矩控制器。
可选的，所述计算反馈控制转矩指令，具体包括：
计算第一反馈控制转矩指令；所述第一反馈控制转矩指令是将所述位置误差输入至第一比例积分控制器得到的；
计算第二反馈控制转矩指令；所述第二反馈控制转矩指令是将所述位置误差依次输入至微分惯性环节模块和第二比例积分控制器得到的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种伺服驱动器位置控制系统及方法，所述系统包括混合结构控制器、转矩控制器和伺服电机；混合结构控制器的输出端通过转矩控制器与伺服电机的输入端连接；伺服电机的输出端与混合结构控制器的输入端连接。混合结构控制器接收上位机发送的目标位置指令和伺服电机输出的位置反馈指令，并产生转矩指令；转矩控制器根据转矩指令调节伺服电机的位置；伺服电机用于产生位置反馈指令，并发送至混合结构控制器。本发明通过设置混合结构控制器，使用单级控制器替代位置环和速度环控制结构，在提高伺服驱动器位置响应特性的同时，提高了定位精度，实现了对伺服驱动器位置的快速、准确调节。
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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种伺服驱动器位置控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例伺服驱动器位置控制系统中混合结构控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种伺服驱动器位置控制系统的结构示意图。参见图1，实施例的伺服驱动器位置控制系统，包括：
混合结构控制器1、转矩控制器2和伺服电机3；所述混合结构控制器1的输出端通过所述转矩控制器2与所述伺服电机3的输入端连接；所述伺服电机3的输出端与所述混合结构控制器1的输入端连接；所述混合结构控制器1用于接收上位机发送的目标位置指令和所述伺服电机3输出的位置反馈指令，并产生转矩指令；所述转矩控制器2用于根据所述转矩指令调节所述伺服电机3的位置，减少与目标位置指令的差值，实现位置跟随；所述伺服电机3用于产生所述位置反馈指令，并发送至所述混合结构控制器1。
图2为本发明实施例伺服驱动器位置控制系统中混合结构控制器的结构示意图。参见图2，所述混合结构控制器1包括位置前馈控制器4和位置反馈控制器5；所述位置前馈控制器的输出端与所述转矩控制器2连接，用于根据接收到的所述目标位置指令产生前馈控制转矩指令；所述位置反馈控制器5的输出端与所述转矩控制器2连接，用于根据接收到的所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生反馈控制转矩指令；所述转矩指令为所述前馈控制转矩指令和所述反馈控制转矩指令之和。
作为一种可选的实施方式，所述位置前馈控制器4包括高通滤波器6和比例微分控制器7；所述高通滤波器6与所述比例微分控制器7连接；所述高通滤波器6用于接收所述上位机发送的目标位置指令，并经过高通滤波后，发送至所述比例微分控制器7；所述比例微分控制器7用于产生所述前馈控制转矩指令。
所述高通滤波器6的模型表达式为：
其中，THPF为高通滤波器的时间常数，s表示一种微分运算符。
所述比例微分控制器7的模型表达式为：
KpH+KdHS；
KpH为比例微分控制器的比例增益，KdH为比例微分控制器的微分增益，S表示另一种微分运算符。
作为一种可选的实施方式，所述位置反馈控制器5包括第一支路和第二支路；所述第一支路与所述第二支路并联；所述第一支路用于根据接收到的位置误差产生第一反馈控制转矩指令；所述位置误差是采用所述目标位置指令减去所述位置反馈指令得到的；所述第二支路用于根据所述位置误差产生第二反馈控制转矩指令，所述反馈控制转矩指令为所述第一反馈控制转矩指令和所述第二反馈控制转矩指令之和。
作为一种可选的实施方式，所述第一支路包括第一比例积分控制器8；所述第一比例积分控制器8用于根据接收到的所述位置误差产生第一反馈控制转矩指令。
所述第一比例积分控制器8的模型表达式为：
Kp1+Ki1/s；
其中，Kp1为第一比例积分控制器的比例增益，Ki1为第一比例积分控制器的积分增益。
作为一种可选的实施方式，所述第二支路包括微分惯性环节模块9和第二比例积分控制器10；所述微分惯性环节模块9与所述第二比例积分控制器10连接；所述微分惯性环节模块9用于接收所述位置误差，并依次经过微分和低通滤波后，发送至所述第二比例积分控制器10；所述第二比例积分控制器10用于产生第二反馈控制转矩指令；所述微分惯性环节模块9与所述第二比例积分控制器10共同来调节速度跟随特性。
所述微分惯性环节模块9的模型表达式为：
其中，TLPF为微分惯性环节模块的时间常数。
所述第二比例积分控制器10的模型表达式为：
Kp2+Ki2/s；
其中，Kp2为第二比例积分控制器的比例增益，Ki2为第二比例积分控制器的积分增益。
本实施例中的混合结构控制器1可以采用但不局限于经典调节器的结构。混合结构控制器1的结构拥有多种实现形式，作为可选的实施方式，混合结构控制器1可通过滑模控制或自适应控制实现。
本实施例的伺服驱动器位置控制系统，通过设置混合结构控制器，使用单级控制器替代位置环和速度环控制结构，不直接进行速度控制，只以位置误差为目标进行调节器控制，并直接输出控制转矩，实现了对伺服驱动器位置的快速、准确调节；在调节位置反馈控制实现系统较好抗干扰特性的基础上，可单独调节位置前馈控制，实现了对位置指令的准确跟随和快速响应特性；位置控制响应带宽优于传统三环控制，响应速度更快。
本发明还提供了一种伺服驱动器位置控制方法，包括：
步骤S1：获取上位机发送的目标位置指令和伺服电机输出的位置反馈指令。
步骤S2：依据所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生转矩指令，并将所述转矩指令发送至转矩控制器。
所述步骤S2，具体包括：
1)计算位置误差；所述位置误差是采用所述目标位置指令减去所述位置反馈指令得到的。
2)计算反馈控制转矩指令；所述反馈控制转矩指令是将所述位置误差输入至位置反馈控制器得到的。具体为：
21)计算第一反馈控制转矩指令；所述第一反馈控制转矩指令是将所述位置误差输入至第一比例积分控制器得到的。
22)计算第二反馈控制转矩指令；所述第二反馈控制转矩指令是将所述位置误差依次输入至微分惯性环节模块和第二比例积分控制器得到的。
3)计算前馈控制转矩指令；所述前馈控制转矩指令是将所述目标位置指令输入至位置前馈控制器得到的。
4)计算转矩指令；所述转矩指令为所述前馈控制转矩指令和所述反馈控制转矩指令之和。
5)将所述转矩指令发送至转矩控制器。
步骤S3：所述转矩控制器依据所述转矩指令控制伺服电机的输出转矩，以实现对所述伺服电机的位置的调节。
本实施例的伺服驱动器位置控制系统，实现了对伺服驱动器位置的快速、准确调节，并且在调节位置反馈控制实现系统较好抗干扰特性的基础上，可单独调节位置前馈控制，实现了对位置指令的准确跟随和快速响应特性。
对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种伺服驱动器位置控制系统，其特征在于，包括：混合结构控制器、转矩控制器和伺服电机；所述混合结构控制器的输出端通过所述转矩控制器与所述伺服电机的输入端连接；所述伺服电机的输出端与所述混合结构控制器的输入端连接；所述混合结构控制器用于接收上位机发送的目标位置指令和所述伺服电机输出的位置反馈指令，并产生转矩指令；所述转矩控制器用于根据所述转矩指令调节所述伺服电机的位置；所述伺服电机用于产生所述位置反馈指令，并发送至所述混合结构控制器。
2.根据权利要求1所述的一种伺服驱动器位置控制系统，其特征在于，所述混合结构控制器包括位置前馈控制器和位置反馈控制器；
所述位置前馈控制器的输出端与所述转矩控制器连接，用于根据接收到的所述目标位置指令产生前馈控制转矩指令；所述位置反馈控制器的输出端与所述转矩控制器连接，用于根据接收到的所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生反馈控制转矩指令；所述转矩指令为所述前馈控制转矩指令和所述反馈控制转矩指令之和。
3.根据权利要求2所述的一种伺服驱动器位置控制系统，其特征在于，所述位置前馈控制器包括高通滤波器和比例微分控制器；
所述高通滤波器与所述比例微分控制器连接；所述高通滤波器用于接收所述上位机发送的目标位置指令，并经过高通滤波后，发送至所述比例微分控制器；所述比例微分控制器用于产生所述前馈控制转矩指令。
4.根据权利要求2所述的一种伺服驱动器位置控制系统，其特征在于，所述位置反馈控制器包括第一支路和第二支路；所述第一支路与所述第二支路并联；
所述第一支路用于根据接收到的位置误差产生第一反馈控制转矩指令；所述位置误差是采用所述目标位置指令减去所述位置反馈指令得到的；所述第二支路用于根据所述位置误差产生第二反馈控制转矩指令，所述反馈控制转矩指令为所述第一反馈控制转矩指令和所述第二反馈控制转矩指令之和。
5.根据权利要求4所述的一种伺服驱动器位置控制系统，其特征在于，
所述第一支路包括第一比例积分控制器；所述第一比例积分控制器用于根据接收到的所述位置误差产生第一反馈控制转矩指令。
6.根据权利要求4所述的一种伺服驱动器位置控制系统，其特征在于，
所述第二支路包括微分惯性环节模块和第二比例积分控制器；所述微分惯性环节模块与所述第二比例积分控制器连接；所述微分惯性环节模块用于接收所述位置误差，并依次经过微分和低通滤波后，发送至所述第二比例积分控制器；所述第二比例积分控制器用于产生第二反馈控制转矩指令。
7.一种伺服驱动器位置控制方法，其特征在于，包括：
获取上位机发送的目标位置指令和伺服电机输出的位置反馈指令；
依据所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生转矩指令，并将所述转矩指令发送至转矩控制器；
所述转矩控制器依据所述转矩指令控制伺服电机的输出转矩，以实现对所述伺服电机的位置的调节。
8.根据权利要求7所述的一种伺服驱动器位置控制方法，其特征在于，所述依据所述目标位置指令和所述位置反馈指令产生转矩指令，并将所述转矩指令发送至转矩控制器，具体包括：
计算位置误差；所述位置误差是采用所述目标位置指令减去所述位置反馈指令得到的；
计算反馈控制转矩指令；所述反馈控制转矩指令是将所述位置误差输入至位置反馈控制器得到的；
计算前馈控制转矩指令；所述前馈控制转矩指令是将所述目标位置指令输入至位置前馈控制器得到的；
计算转矩指令；所述转矩指令为所述前馈控制转矩指令和所述反馈控制转矩指令之和；
将所述转矩指令发送至转矩控制器。
9.根据权利要求8所述的一种伺服驱动器位置控制方法，其特征在于，所述计算反馈控制转矩指令，具体包括：
计算第一反馈控制转矩指令；所述第一反馈控制转矩指令是将所述位置误差输入至第一比例积分控制器得到的；
计算第二反馈控制转矩指令；所述第二反馈控制转矩指令是将所述位置误差依次输入至微分惯性环节模块和第二比例积分控制器得到的。
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