CN112433471B - 一种高精度自增益补偿控制方法及其控制电路 - Google Patents
一种高精度自增益补偿控制方法及其控制电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种高精度自增益补偿控制方法及其控制电路，方法包括：根据惠斯通双桥对输出侧建模，建立惠斯通电桥输出侧电压方程；通过所述惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号与惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R，并与惠斯通电桥输出李萨茹圆电压的理想电压值E0比较；设计满足系统开环与闭环性能要求的自增益补偿控制器；将所述E0与R比较得出的偏差值输入到自增益补偿控制器中，通过对偏差值进行比例和积分运算得到控制输出电压信号。本发明将高精度自增益补偿模块应用到磁传感器弦波信号输出回路中，由于高精度自增益补偿控制器强鲁棒性，能够有效地提高磁传感器检测精度，提高磁传感器干扰条件下的检测性能。
Description
技术领域
本发明及自动控制技术领域，具体为一种高精度自增益补偿控制方法及其控制电路。
背景技术
磁编码器是一种新型以磁敏感元件为基础的检测装置，相对于光电编码器，它具有许多优点，转速高、可靠性高、抗震动等级高、抗干扰能力强；恶劣环境下适应能力强，防尘、防油；整体结构简单，安装简易、可靠；调试方便，易于小型化且价格低廉。因此，磁编码器具备很大的市场潜力，未来将在许多领域代替光电编码器。同时，机器人关节高速高精度控制的实现离不开各类编码器，编码器发展技术水平直接影响到整个机器人关节控制系统运行性能。但是，目前磁传感器抗复杂干扰差，导致检测性能下降，现有技术缺少能提高磁传感器检测性能的技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度自增益补偿控制方法及其控制电路，将高精度自增益补偿模块应用到磁传感器弦波信号输出回路中，能够提高磁传感器检测性能，从而显著提高机器人关节的控制精度和抗干扰能力，解决了目前磁传感器抗复杂干扰差、检测性能下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下技术方案：
一种高精度自增益补偿控制方法，包括以下步骤：
S101，根据惠斯通双桥对输出侧建模，建立惠斯通电桥输出侧电压方程；
S102，通过所述惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号与惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R，并与惠斯通电桥输出李萨茹圆电压的理想电压值E0比较；
S103，设计满足系统开环与闭环性能要求的自增益补偿控制器；
S104，将所述E0与R比较得出的偏差值输入到自增益补偿控制器中，通过对偏差值进行比例和积分运算得到控制输出电压信号，基于偏差值实现对弦波电压输出信号的控制，使得所述李萨茹圆电压的实际值R自动跟随李萨茹圆电压的理想电压值E0。
优选的，所述通过所述惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号与惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R，具体为：通过所述惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号分别为usin和ucos，其中所述惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R计算公式为：
优选的，所述自增益补偿控制器采用PI控制结构，利用闭环控制中负反馈的作用，得到惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的理想值E0与实际输出电压值R的偏差，通过对偏差值Δu＝E0-R进行比例和积分运算得到控制输出电压信号u。
优选的，所述设计满足系统开环与闭环性能要求的自增益补偿控制器，包括以下步骤：
(1)将惠斯通电桥等效为一阶惯性环节，其传递函数数学模型为，
(2)建立自增益补偿控制器数学模型：
自增益补偿控制器传递函数为：
其中Kp、Ki为待设计参数；
系统开环传递函数为：
系统闭环传递函数为：
(3)消除系统惯性环节G1(s)，使得系统开环传递函数整定为纯积分环节，选取
得到整定后系统开环传递函数为：
(4)根据闭环系统特性指标确定Ki值，然后根据Ki与Kp的关系，计算Kp值，实现高精度自增益补偿控制器参数整定。
本发明还提供一种高精度自增益补偿控制电路，包括：惠斯通双桥电路、平方和电路、开平方电路、偏差值检测运算电路和自增益补偿控制器，所述偏差值检测运算电路、自增益补偿控制器、惠斯通双桥电路依次连接，所述惠斯通双桥电路弦波电压输出信号输出端连接平方和电路、开平方电路，所述开平方电路输出端连接偏差值检测运算电路的实际信号R输入端。
优选的，所述偏差值检测运算电路包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，所述第一电阻一端连接惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R信号，所述第一电阻另一端连接第一运算放大器反相端，所述第三电阻连接惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的理想值E0信号，所述第三电阻另一端连接第一运算放大器同相端，所述第二电阻连接在第一运算放大器的反相端与输出端之间，所述第四电阻连接在第一运算放大器的同相端与地之间。
优选的，所述平方和电路包括第二运算放大器、第一乘法器、第二乘法器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻，所述第五电阻连接在第二运算放大器反相端与地之间，所述第六电阻一端、第七电阻一端分别连接第一乘法器、第二乘法器，所述第一乘法器、第二乘法器输入端连接惠斯通电桥输出的弦波电压输出信号usin和ucos，所述第六电阻另一端、第七电阻另一端均连接第二运算放大器同相端，所述第八电阻连接在第二运算放大器同相端与输出端之间。
优选的，所述开平方电路包括第三运算放大器、第四运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第三乘法器，所述第三运算放大器反相端连接第九电阻、第十电阻的一端，所述第九电阻另一端连接弦波电压输出信号usin和ucos的平方和信号R2，所述第十电阻另一端连接第四运算放大器输出端，所述第三运算放大器同相端通过第十一电阻接地，所述第四运算放大器反相端与输出端之间连接第十二电阻，所述第四运算放大器反相端连接第十三电阻一端，所述第四运算放大器同相端通过第十四电阻接地，所述第十三电阻另一端连接第三乘法器输出端，所述第三乘法器输入端连接第三运算放大器输出端。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明将高精度自增益补偿模块应用到磁传感器弦波信号输出回路中，由于高精度自增益补偿控制器强鲁棒性，能够有效地提高磁传感器检测精度，提高磁传感器干扰条件下的检测性能，从而显著提高机器人关节的控制精度和抗干扰能力，解决了目前磁传感器抗复杂干扰差、检测性能下降的问题。
附图说明
图1为本发明的高精度自增益补偿控制方法流程图；
图2为本发明高精度自增益补偿控制电路原理框架图；
图3为本发明高精度自增益补偿控制电路的平方和电路原理图；
图4为本发明高精度自增益补偿控制电路的开平方电路原理图；
图5为本发明高精度自增益补偿控制电路的偏差值检测运算电路原理图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种高精度自增益补偿控制方法，包括以下步骤：
S101，根据惠斯通双桥对输出侧建模，建立惠斯通电桥输出侧电压方程；
S102，通过惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号与惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R，并与惠斯通电桥输出李萨茹圆电压的理想电压值E0比较；
S103，设计满足系统开环与闭环性能要求的自增益补偿控制器；
S104，将E0与R比较得出的偏差值输入到自增益补偿控制器中，通过对偏差值进行比例和积分运算得到控制输出电压信号，基于偏差值实现对弦波电压输出信号的控制，使得李萨茹圆电压的实际值R自动跟随李萨茹圆电压的理想电压值E0。
其中，通过惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号与惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R，具体为：通过惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号分别为usin和ucos，其中惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R计算公式为：
自增益补偿控制器采用PI控制结构，利用闭环控制中负反馈的作用，得到惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的理想值E0与实际输出电压值R的偏差，通过对偏差值Δu＝E0-R进行比例和积分运算得到控制输出电压信号u，即基于偏差信号Δu实现对输出弦波电压信号u的控制，使得系统的输出电压值R能够自动地跟随理想电压值E0，同时抑制扰动信号的影响。通过自增益补偿实现对惠斯通电桥的输出弦波电压的控制，可以消除电压偏差并获取期望的电压值。
在磁传感芯片的实际应用中，偏差值Δu反映了磁传感芯片输出的李萨茹圆电压的波动情况，根据磁传感芯片输出的李萨茹圆电压的波动情况调节补偿惠斯通电桥的输出电压信号u，闭环调节弦波电压输出信号usin和ucos的电压幅值，以减小磁传感芯片输出的李萨茹圆电压的波动情况，提高磁编码器的测量精度。
其中，设计满足系统开环与闭环性能要求的自增益补偿控制器，包括以下步骤：
(1)将惠斯通电桥等效为一阶惯性环节，其传递函数数学模型为，
(2)建立自增益补偿控制器数学模型：
自增益补偿控制器传递函数为：
其中Kp、Ki为待设计参数；
系统开环传递函数为：
系统闭环传递函数为：
(3)消除系统惯性环节G1(s)，使得系统开环传递函数整定为纯积分环节，选取
得到整定后系统开环传递函数为：
(3)根据闭环系统特性指标确定Ki值，然后根据Ki与Kp的关系，计算Kp值，实现高精度自增益补偿控制器参数整定。
本发明实施例提供的高精度自增益补偿控制方法，将高精度自增益补偿控制律应用到磁传感器弦波电压输出控制系统。通过自增益补偿控制器，抑制环境干扰对磁传感器输出弦波电压信号的影响；提高磁传感器输出弦波信号质量。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
实施例2
如图2所示，本发明还提供一种高精度自增益补偿控制电路，包括：惠斯通双桥电路、平方和电路、开平方电路、偏差值检测运算电路和自增益补偿控制器，偏差值检测运算电路、自增益补偿控制器、惠斯通双桥电路依次连接，惠斯通双桥电路弦波电压输出信号输出端连接平方和电路、开平方电路，开平方电路输出端连接偏差值检测运算电路的实际信号R输入端。
如图3所示，为平方和电路电路，用于计算弦波电压输出信号usin和ucos的平方和；包括第二运算放大器、第一乘法器、第二乘法器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻，第五电阻连接在第二运算放大器反相端与地之间，第六电阻一端、第七电阻一端分别连接第一乘法器、第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器输入端连接惠斯通电桥输出的弦波电压输出信号usin和ucos，第六电阻另一端、第七电阻另一端均连接第二运算放大器同相端，第八电阻连接在第二运算放大器同相端与输出端之间。第二运算放大器为图示运算放大器，第一乘法器、第二乘法器输入端分别接弦波电压输出信号usin和ucos，第五电阻、第六电阻、第七电阻分别对应图示电阻r1、r2、r3，第八电阻对应图示电阻rf。
如图4所示，为开平方电路，用于将上述弦波电压输出信号usin和ucos的平方和开方，得到李萨茹圆电压的实际输出电压值R。包括第三运算放大器、第四运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第三乘法器，第三运算放大器反相端连接第九电阻、第十电阻的一端，第九电阻另一端连接弦波电压输出信号usin和ucos的平方和信号R2，第十电阻另一端连接第四运算放大器输出端，第三运算放大器同相端通过第十一电阻接地，第四运算放大器反相端与输出端之间连接第十二电阻，第四运算放大器反相端连接第十三电阻一端，第四运算放大器同相端通过第十四电阻接地，第十三电阻另一端连接第三乘法器输出端，第三乘法器输入端连接第三运算放大器输出端。上述第九电阻、第十电阻、第十一电阻分别对应图示电阻r1、r2、rp1，第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻分别对应图示电阻rf、r3、rp2。
如图5所示，为偏差值检测运算电路，用于将李萨茹圆电压的理想值E0与实际输出电压值R进行比较，得到偏差值Δu＝E0-R。包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第一电阻一端连接惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R信号，第一电阻另一端连接第一运算放大器反相端，第三电阻连接惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的理想值E0信号，第三电阻另一端连接第一运算放大器同相端，第二电阻连接在第一运算放大器的反相端与输出端之间，第四电阻连接在第一运算放大器的同相端与地之间。其中，所述的第一运算放大器为图示运算放大器，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻分别为电阻r1、rf、r2、rp。
在自增益补偿驱动ASIC模块工作过程中，自增益补偿控制器可以根据磁传感芯片输出的李萨茹圆电压的波动情况实时调节补偿惠斯通电桥的输出电压，利用闭环控制的作用补偿弦波电压输出信号usin和ucos的输出电压幅值，以减小磁传感芯片输出的李萨茹圆电压的波动情况，从而提高磁编码器的测量精度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高精度自增益补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，根据惠斯通双桥对输出侧建模，建立惠斯通电桥输出侧电压方程；
S102，通过所述惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号与惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R，并与惠斯通电桥输出李萨茹圆电压的理想电压值E0比较；
S103，设计满足系统开环与闭环性能要求的自增益补偿控制器；
S104，将所述E0与R比较得出的偏差值输入到自增益补偿控制器中，通过对偏差值进行比例和积分运算得到控制输出电压信号，基于偏差值实现对弦波电压输出信号的控制，使得所述李萨茹圆电压的实际值R自动跟随李萨茹圆电压的理想电压值E0；
所述通过所述惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号与惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R，具体为：通过所述惠斯通电桥输出侧电压方程，得到弦波电压输出信号分别为usin和ucos，其中所述惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R计算公式为：
所述设计满足系统开环与闭环性能要求的自增益补偿控制器，包括以下步骤：
(1)将惠斯通电桥等效为一阶惯性环节，其传递函数数学模型为，
(2)建立自增益补偿控制器数学模型：
自增益补偿控制器传递函数为：
其中Kp、Ki为待设计参数；
系统开环传递函数为：
系统闭环传递函数为：
(3)消除系统惯性环节G1(s)，使得系统开环传递函数整定为纯积分环节，选取
得到整定后系统开环传递函数为：
(4)根据闭环系统特性指标确定Ki值，然后根据Ki与Kp的关系，计算Kp值，实现高精度自增益补偿控制器参数整定。
2.根据权利要求1所述的高精度自增益补偿控制方法，其特征在于，所述自增益补偿控制器采用PI控制结构，利用闭环控制中负反馈的作用，得到惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的理想值E0与实际输出电压值R的偏差，通过对偏差值Δu＝E0-R进行比例和积分运算得到控制输出电压信号u。
3.一种高精度自增益补偿控制电路，其特征在于，包括：惠斯通双桥电路、平方和电路、开平方电路、偏差值检测运算电路和自增益补偿控制器，所述偏差值检测运算电路、自增益补偿控制器、惠斯通双桥电路依次连接，所述惠斯通双桥电路弦波电压输出信号输出端连接平方和电路、开平方电路，所述开平方电路输出端连接偏差值检测运算电路的实际信号R输入端；
所述偏差值检测运算电路包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，所述第一电阻一端连接惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的实际值R信号，所述第一电阻另一端连接第一运算放大器反相端，所述第三电阻连接惠斯通电桥输出的李萨茹圆电压的理想值E0信号，所述第三电阻另一端连接第一运算放大器同相端，所述第二电阻连接在第一运算放大器的反相端与输出端之间，所述第四电阻连接在第一运算放大器的同相端与地之间；
所述自增益补偿控制器根据磁传感芯片输出的李萨茹圆电压的波动情况实时调节补偿惠斯通电桥的输出电压，利用闭环控制的作用补偿弦波电压输出信号usin和ucos的输出电压幅值。
4.根据权利要求3所述的高精度自增益补偿控制电路，其特征在于，所述平方和电路包括第二运算放大器、第一乘法器、第二乘法器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻，所述第五电阻连接在第二运算放大器反相端与地之间，所述第六电阻一端、第七电阻一端分别连接第一乘法器、第二乘法器，所述第一乘法器、第二乘法器输入端连接惠斯通电桥输出的弦波电压输出信号usin和ucos，所述第六电阻另一端、第七电阻另一端均连接第二运算放大器同相端，所述第八电阻连接在第二运算放大器同相端与输出端之间。
5.根据权利要求3所述的高精度自增益补偿控制电路，其特征在于，所述开平方电路包括第三运算放大器、第四运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第三乘法器，所述第三运算放大器反相端连接第九电阻、第十电阻的一端，所述第九电阻另一端连接弦波电压输出信号usin和ucos的平方和信号R2，所述第十电阻另一端连接第四运算放大器输出端，所述第三运算放大器同相端通过第十一电阻接地，所述第四运算放大器反相端与输出端之间连接第十二电阻，所述第四运算放大器反相端连接第十三电阻一端，所述第四运算放大器同相端通过第十四电阻接地，所述第十三电阻另一端连接第三乘法器输出端，所述第三乘法器输入端连接第三运算放大器输出端。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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