CN112304336A - 一种高频角振动转台控制方法 - Google Patents

一种高频角振动转台控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频角振动转台控制方法，该方法包括：通过控制器向驱动器发送电流控制信号来驱动力矩电机运动，同时控制器接收光栅传感器的角位移反馈；控制器利用光栅传感器的角位移反馈和电流命令，通过高通滤波器和低通滤波器组成的互补滤波器，结合光栅传感器在低频段和电流命令在高频段的优势，实现宽频带的角运动状态估计；最后通过构建位置闭环，实现角位移、角速度以及角振动运动。本发明在保证测量精度的前提下，具有同时满足传感器静态定位校准、匀速校准以及高频角振动校准的特点。本发明方法有效解决了圆光栅分辨率限制而导致的高频角振动测量误差，降低了系统噪声、相位延迟，提升了系统响应能力和抗扰动性能。

Description

一种高频角振动转台控制方法
技术领域
本发明属于精密测控技术领域，尤其适用于精确测量和惯性导航器件校准的高频角振动转台。
背景技术
惯性导航系统现如今已经广泛地应用在飞行器系统、智能机器人系统等板块上。随着科技水平的不断提升，对惯性导航系统的加速度计和陀螺仪性能提出了更高要求，需要对高性能惯性器件进行测试和校准。
高频角振动转台是一种集光机电一体的现代化设备，它可以通过模拟角位置、角速度和角振动运动，实现惯性器件的测试和校准。一般情况下，需要综合利用转台和角振动台完成测试，其中转台实现低频的角位置和角速度运动，角振动台实现高频率的角振动。随着低成本、批量化、高效率、高性能的MEMS惯性传感器推广应用，对复合功能的测试设备提出迫切需求。因此，有必要研究可以同时实现角位置、角速度、角振动的高频角振动转台，实现检测环节的提升精度、降低成本，满足MEMS惯性传感器的低成本、高效率、批量化的测试需求。
现有转台一般采用圆光栅来测量被测组件的角位移，进而将反馈信号传输到驱动器和控制器，但在测量过程中往往受到圆光栅分辨率以及单一测量方式的限制，很难实现高频角振动的测定。对于这种问题的存在，传统的解决方法是将加速度传感器、角位移传感器结合使用，用来观测高频反馈状态。但常规的解决办法会因为加速度传感器的高噪声，容易受到外界干扰，同时滤波器的存在会产生相位滞后，导致系统稳定性的降低。
因此，针对目前转台功能结构单一、很难覆盖到惯性器件高频振动信号、容易受到外界干扰，系统整体稳定性低，且测量误差大的情况，本发明提出一种适用于高频角振动转台的控制方法，加强系统功能集成，通过转台模拟高频角振动运动。
发明内容
本发明的目的在于针对目前的转台存在功能单一、受光栅分辨率限制所导致的高频角振动测量误差增大，提供了一种高频角振动转台的控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为基于互补滤波器的高频角振动转台控制方法，该方法包括：由控制器向驱动器发送电流控制信号，驱动器驱动力矩电机运动，同时驱动器接收光栅传感器的角位移反馈，并将角位移反馈实时上传至控制器，控制器利用光栅传感器的角位移反馈和电流控制命令，通过高通滤波器和低通滤波器组成的互补滤波器，结合光栅传感器在低频段和电流控制命令在高频段的优势，实现宽频带的角运动状态估计。在此基础上，通过构建位置闭环，实现角位移、角速度以及角振动运动，满足传感器的静态定位校准、匀速校准以及高频角振动校准需求。解决了圆光栅分辨率限制而导致的高频角振动测量误差，降低了系统噪声、相位延迟，提升了系统响应能力和抗扰动性能。
利用电流控制命令的高频角运动估计方法具体包括：
通过控制器向驱动器发送电流信号指令，驱动器工作在电流环控制模式，因此电流信号转化为角位移的传递函数为：
Figure BDA0002738452410000021
式中，P(s)为力矩电机的角位移，I(s)为电流指令，ωcc为电流环带宽，KT为电动机动力常数，JT为运动部件转动惯量。
通过电流信号利用式(1)可以估计力矩电机的角位移，为了避免此过程中由于积分器的存在而产生的漂移，进而形成测量误差，将根据电流信号估计的角位移通过高通滤波器得到高频角位移信号。
基于互补滤波器的宽频带运动状态估计方法具体包括：
在得到控制器向驱动器发送电流信号指令以及利用圆光栅测量得到的角位移之后，将通过高通滤波器的电流指令推算出的角位移信号与通过低通滤波器测得的位移信号求和，结果即为状态估计。基于互补滤波器的状态估计表达式为：
Figure BDA0002738452410000022
式中，P0(s)为状态估计，Gh(s)为高通滤波器，Ic(s)为电流命令，Gl(s)为低通滤波器，PM(s)为圆光栅测得的角位移。
采用高频电流命令和低频光栅角位移测量相结合，即通过互补滤波器的方式，估计宽频带运动状态，将光栅测得的位置信号通过低通滤波器得到低频角位移信号，将根据电流信号估计的角位移通过高通滤波器得到高频角位移信号，确保低通滤波器和高通滤波器总和为1，它们一起形成了互补滤波器，用估计的运动状态代替了传统意义上用作反馈的光栅传感器，实现了两个输入源信号的充分利用。
为实现高频角振动转台的高频响角运动需要构建高频响的位置闭环控制，该位置闭环控制方法具体包括：
在以上高频角振动转台的控制中，利用互补滤波器估计宽频带的运动状态，将估计的运动状态作为角位移，位置控制器采用相位超前网络补偿器，对模型进行补偿。相位超前网络补偿表达式为：
Figure BDA0002738452410000031
式中，GC(s)为控制器，kC为增益，ωa为极点频率，ωb为零频率。
附图说明
图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；
图2为互补滤波器的宽频带运动状态估计方法示意图；
图3为基于互补滤波器的高频响位置闭环控制方法示意图；
图4-图5为本发明方法和传统的三回路级联结构闭环控制方法的控制系统波形结果图。
具体实施方式
为了解决目前的高频角振动转台存在功能单一、受光栅分辨率限制所导致的惯性器件高频振动测量误差增大等问题，本发明提供了一种基于互补滤波器控制的高频角振动转台控制方法，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1为本发明方法具体实施实例装置示意图，该装置主要包括：控制器1、驱动器2、角振动转台3、圆光栅4。由控制器1向驱动器2发送电流控制信号，驱动器2驱动力矩电机运动。圆光栅4安装在角振动转台3上，由驱动器2接收圆光栅4的角位移反馈，并将角位移反馈实时上传至控制器1，控制器1利用光栅传感器的角位移反馈和电流控制命令，通过高通滤波器和低通滤波器组成的互补滤波器，结合光栅传感器在低频段和电流控制命令在高频段的优势，实现宽频带的角运动状态估计。
参考图2为互补滤波器的宽频带运动状态估计方法示意图。本发明针对宽频带运动状态估计方法主要包括以下步骤：
步骤S10：电流命令Ic通过电流环作用在力矩电动机上；
步骤S20：力矩电动机产生的角位移通过圆光栅测得位置状态PM；
步骤S30：位置状态PM结果交由低通滤波器Gl(s)处理；
步骤S40：电流命令Ic通过
Figure BDA0002738452410000041
代表的电流回路、力矩电动机和二重积分组成的理论模型；
步骤S50：理论模型输出的结果交由高通滤波器Gh(s)处理；
步骤S60：通过低通滤波器Gl(s)测得的位置状态PM与通过高通滤波器Gh(s处理后的电流指令共同作为正反馈得到估计位置状态PO；
参考图3为基于互补滤波器的高频响位置闭环控制方法示意图。本发明针对高频响位置闭环控制方法主要包括以下步骤：
步骤S70：初始位置状态信号Pc通过相位超前网络补偿器
Figure BDA0002738452410000042
得到电流命令Ic；
步骤S80：电流命令Ic通过基于互补滤波器的宽频带运动状态估计得到估计位置状态PO；
步骤S90：估计位置状态PO作为负反馈进入相位超前网络补偿器
Figure BDA0002738452410000043
Figure BDA0002738452410000044
进而组成位置控制器，实现基于互补滤波器的高频响位置闭环控制。
参考图4-图5为本发明方法和传统的三回路级联结构闭环控制方法的控制系统波形结果图。本实施实例装置的具体参数为：在三回路级联控制系统中，输入正弦波形的位置命令，使用2μm的光栅进行反馈，其振幅为10μm，频率为160Hz，所需的加速度振幅为10.0m/s2。在本次测量中，虽然由于分辨率限制，光栅的反馈是锯齿波形，但本发明的实际力矩电动机的位移为平滑的正弦波，失真较小。但在传统的三回路级联结构闭环控制方法中，针对因分辨率限制导致的光栅出现锯齿波形反馈的情况，虽然滤除了反馈的高频噪声，却造成了结果的失真，说明本发明的基于互补滤波器的高频响位置环控制回路可以在现有实验装置不变的情况下，明显减少锯齿波纹分量的位置反馈、明显改善实际位移波形。
上述详细描述为本发明方法的一个具体实施实例，其并非用以限定本发明的应用范围。本领域相关技术人员可以在本发明的基础上可做出一系列的优化与改进、等同修改等。因此本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高频角振动转台控制方法，其特征在于：由控制器向驱动器发送电流控制信号，驱动器驱动力矩电机运动，同时驱动器接收光栅传感器的角位移反馈，并将角位移反馈实时上传至控制器，控制器利用光栅传感器的角位移反馈和电流控制命令，通过高通滤波器和低通滤波器组成的互补滤波器，结合光栅传感器在低频段和电流控制命令在高频段的优势，实现宽频带的角运动状态估计；通过构建位置闭环，实现角位移、角速度以及角振动运动，实现传感器的静态定位校准、匀速校准以及高频角振动校准。
2.根据权利要求1所述的一种高频角振动转台控制方法，其特征在于：利用电流控制命令的高频角运动估计方法具体包括：
通过控制器向驱动器发送电流信号指令，驱动器工作在电流环控制模式，因此电流信号转化为角位移的传递函数为：
Figure FDA0002738452400000011
式中，P(s)为力矩电机的角位移，I(s)为电流指令，ωcc为电流环带宽，KT为电动机动力常数，JT为运动部件转动惯量；
通过电流信号利用式(1)估计力矩电机的角位移，将根据电流信号估计的角位移通过高通滤波器得到高频角位移信号。
3.根据权利要求2所述的一种高频角振动转台控制方法，其特征在于：基于互补滤波器的宽频带运动状态估计方法具体包括：
在得到控制器向驱动器发送电流信号指令以及利用圆光栅测量得到的角位移之后，将通过高通滤波器的电流指令推算出的角位移信号与通过低通滤波器测得的位移信号求和，结果即为状态估计；基于互补滤波器的状态估计表达式为：
Figure FDA0002738452400000012
式中，P0(s)为状态估计，Gh(s)为高通滤波器，Ic(s)为电流命令，Gl(s)为低通滤波器，PM(s)为圆光栅测得的角位移；
采用高频电流命令和低频光栅角位移测量相结合，即通过互补滤波器的方式，估计宽频带运动状态，将光栅测得的位置信号通过低通滤波器得到低频角位移信号，将根据电流信号估计的角位移通过高通滤波器得到高频角位移信号，确保低通滤波器和高通滤波器总和为1，一起形成了互补滤波器，用估计的运动状态代替光栅传感器，实现两个输入源信号的充分利用。
4.根据权利要求3所述的一种高频角振动转台控制方法，其特征在于：
为实现高频角振动转台的高频响角运动需要构建高频响的位置闭环控制，该位置闭环控制方法具体包括：
在以上高频角振动转台的控制中，利用互补滤波器估计宽频带的运动状态，将估计的运动状态作为角位移，位置控制器采用相位超前网络补偿器，对模型进行补偿；相位超前网络补偿表达式为：
Figure FDA0002738452400000021
式中，GC(s)为控制器，kC为增益，ωa为极点频率，ωb为零频率。
5.根据权利要求1所述的一种高频角振动转台控制方法，其特征在于：
针对宽频带运动状态估计方法主要包括以下步骤：
步骤S10：电流命令Ic通过电流环作用在力矩电动机上；
步骤S20：力矩电动机产生的角位移通过圆光栅测得位置状态PM；
步骤S30：位置状态PM结果交由低通滤波器Gl(s)处理；
步骤S40：电流命令Ic通过
Figure FDA0002738452400000022
代表的电流回路、力矩电动机和二重积分组成的理论模型；
步骤S50：理论模型输出的结果交由高通滤波器Gh(s)处理；
步骤S60：通过低通滤波器Gl(s)测得的位置状态PM与通过高通滤波器Gh(s)处理后的电流指令共同作为正反馈得到估计位置状态PO。
6.根据权利要求5所述的一种高频角振动转台控制方法，其特征在于：
针对高频响位置闭环控制方法主要包括以下步骤：
步骤S70：初始位置状态信号Pc通过相位超前网络补偿器
Figure FDA0002738452400000023
得到电流命令Ic；
步骤S80：电流命令Ic通过基于互补滤波器的宽频带运动状态估计得到估计位置状态Po；
步骤S90：估计位置状态Po作为负反馈进入相位超前网络补偿器
Figure FDA0002738452400000024
Figure FDA0002738452400000025
进而组成位置控制器，实现基于互补滤波器的高频响位置闭环控制。
7.利用权利要求1所述方法设计的一种高频角振动转台控制装置，其特征在于：
该装置包括：控制器(1)、驱动器(2)、角振动转台(3)、圆光栅(4)；由控制器(1)向驱动器(2)发送电流控制信号，驱动器(2)驱动力矩电机运动；圆光栅(4)安装在角振动转台(3)上，由驱动器(2)接收圆光栅(4)的角位移反馈，并将角位移反馈实时上传至控制器(1)，控制器(1)利用光栅传感器的角位移反馈和电流控制命令，通过高通滤波器和低通滤波器组成的互补滤波器结合光栅传感器在低频段和电流控制命令在高频段的优势，实现宽频带的角运动状态估计。
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