CN112965366B - 一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法与系统，涉及电机领域，具体包括步骤：获取无刷舵机当前的控制模式，并根据控制信号获取无刷舵机需要切换的控制模式；获取当前控制模式下的第一输出量；获取切换后控制模式下的第二输出量，根据第一输出量利用平均增减补偿法对预设周期内各周期的第二输出量进行逐次补偿，并获得补偿输出量；根据补偿输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度。本发明通过在位置模式和速度模式切换时，对输出量进行平均增减补偿，避免无刷舵机以自抗扰控制模式为控制模式时，位置模式与速度模式相互切换时其输出量突变导致的舵机抖动。

Description

一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法与系统

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及一种角度位置与速度调节的电机控制方法与系统。

背景技术

舵机是一种操纵舵面(或操纵面)转动的一种执行部件，主要由控制器、驱动电机、减速器、检测元件和机械外壳构成。其工作原理是控制器接收给定的目标位置信号，驱动控制电机运转，带动减速器，将舵面摆动到目标角度，并保持在此位置。目前舵机中使用的电机主要为有刷电机、无刷电机。

随着机器人、无人机技术的发展，对于舵机的要求也逐渐提高，需要舵机实现高控制精度、响应性能，同时舵机的使用寿命要久且需要降低其整体的体积和重量。而舵机的功能也需要拓展，特别是需要能够进行角度控制和速度控制以及这两种模式的动态切换，即可以在进行角度位置控制时，切换为速度控制，在进行速度控制时，切换为角度位置控制，使机器人、无人机的运动控制更加丰富、灵活，同时切换过程中要满足平稳的要求。现有技术中虽然已实现了舵机的角度控制和速度控制，但在进行切换时，还是容易造成输出功率突变，从而造成舵机的抖动，容易引发安全事故。

发明内容

为解决上述问题，使得舵机在速度模式和位置模式之间切换时能够平稳的对输出功率进行过渡，避免抖动的发生，本发明提出了一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法，无刷舵机以自抗扰控制模式运转，并根据控制信号对输出量进行调控，根据输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度，具体包括步骤：

S1：获取无刷舵机当前的控制模式，并根据控制信号获取无刷舵机需要切换的控制模式，所述控制模式包括位置模式和速度模式；

S2：判断需要切换的控制模式与当前的控制模式是否一致，若否，获取当前控制模式下的第一输出量，切换控制模式并进入下一步骤，否则，返回步骤S1；

S3：获取切换后控制模式下的第二输出量，根据第一输出量利用平均增减补偿法对预设周期内各周期的第二输出量进行逐次补偿，并获得补偿输出量；

S4：根据补偿输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度。

进一步地，所述步骤S3中，平均增减补偿法的公式表达式为：

I_R(n+1)＝I_B(n)+I_A(n)×(1-1/k)；n＝n+1；

式中，I_R(n+1)为补偿输出量,I_A(n)为第一输出量，I_B(n)为第二输出量，k为预设周期的周期数；n为随周期数增加而增加的常数，n的初始值为1。

进一步地，当控制模式由位置模式切换为速度模式时，所述周期为速度环周期；当控制模式由速度模式切换为位置模式时，所述周期为位置环周期。

进一步地，所述控制信号中还包括实时转速信号或实时位置信号，所述第一输出量和第二输出量，

在位置模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据舵机的实时位置信号，通过自抗扰控制获得的；

在速度模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据无刷舵机的实时速度信号，通过自抗扰控制获得的。

进一步地，所述自抗扰公式组的表达式为：

z_1(m+1)＝z_1(m)+h×(z_2(m)+3×w₀×(N_(m)-z_1(m)))；

z_2(m+1)＝z_2(m)+h×(z_3(m)+b₀×I_(m)+3×w₀ ²×(N_(m)-z_1(m)))；

z_3(m+1)＝z_3(m)+h×w₀ ³×(N_(m)-z_1(m))；

I_0(m)＝w_c ²×(N_(m)-z_1(m))+2×w_c×(n_(m)-z_2(m))；

I_(m)＝I_0(m)-z_3(m)/b₀；

公式中，m表示当前采样周期，m+1表示下一采样周期，z₁为根据实时信号获得的第一期望信号，z₂为根据实时信号获得的第二期望信号，z₃为总干扰，N_(m)为实时信号，h为采样周期，b₀为舵机转矩系统与舵机转动惯量的比值，z_3(m)/b₀为总干扰补偿，n_(m)为m周期时根据实时信号获得的规划值，w₀为扩张状态观测器带宽，w_c为比例控制器带宽，I_0(m)为无扰动输出，I_(m)为逐次补偿前的输出量。

进一步地，速度模式下，z₁为根据实时转速信号获得的期望速度信号，z₂为根据实时转速信号获得的期望加速度信号,N_(m)为实时转速信号，h为转速采样周期，n_(m)为m周期时根据实时转速信号获得的加速度值；

位置模式下，z₁为根据实时位置信号获得的期望位置信号，z₂为根据实时位置信号获得的期望转速信号，N_(m)为实时位置信号，h为位置采样周期，n_(m)为m周期时根据实时位置信号获得的转速值。

进一步地，所述步骤S3之后还包括步骤：

S31：通过PI调节器对补偿输出量进行积分饱和，并限制补偿输出量小于预设值。

本发明还提出了一种用于角度位置与速度调节的电机控制系统，无刷舵机以自抗扰控制模式运转，并根据控制信号对输出量进行调控，根据输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度，具体包括：

主控单元，用于获取无刷舵机当前的控制模式，并根据控制信号获取无刷舵机需要切换的控制模式，所述控制模式包括位置模式和速度模式；所述控制信号中还包括实时转速信号或实时位置信号；

判断单元，用于判断需要切换的控制模式与当前的控制模式是否一致，若否，获取当前控制模式下的第一输出量后切换控制模式；

优化单元，用于在切换控制模式时获取切换后控制模式下的第二输出量，根据第一输出量利用平均增减补偿法对预设周期内各周期的第二输出量进行逐次补偿，并获得补偿输出量；

输出单元，用于根据补偿输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度。

进一步地，所述平均增减补偿法的公式表达式为：

I_R(n+1)＝I_B(n)+I_A(n)×(1-1/k)；n＝n+1；

式中，I_R(n+1)为补偿输出量,I_A(n)为第一输出量，I_B(n)为第二输出量，k为预设周期数量的周期数；n为随周期数增加而增加的常数，n的初始值为1。

进一步地，还包括计算单元，所述计算单元含有三阶扩张状态观测器和比例控制器，用于：

通过三阶扩张状态观测器和比例控制器根据舵机的实时位置信号，通过自抗扰控制获得位置模式下的输出量；

通过三阶扩张状态观测器和比例控制器根据无刷舵机的实时速度信号，通过自抗扰控制获得速度模式下的输出量。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法与系统，其通过在位置模式和速度模式切换时，对输出量进行平均增减补偿，避免切换至另一模式时其输出量突增导致的舵机抖动；

(2)在控制模式不变的情况下，输出量是根据实时转速信号和实时位置信号进行扩张状态观测以及比例控制后，对输出量进行校准，并根据计算出的总干扰对输出量进行补偿，从而使得最终的输出量更加准确，符合实时信号的预期规划，从而降低舵机中电机的抖动；

(3)通过PI调节器对补偿输出量进行把控，避免其值超过预设值，从而保证电机不会出现过流冲击，延长电机的使用寿命。

附图说明

图1为一种用于角度位置和速度调节的电机控制方法的方法步骤图；

图2为一种用于角度位置和速度调节的电机控制系统的系统结构图；

图3为目标位置信号规划示意图；

图4为目标速度信号规划示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

为了使舵机在速度模式和位置模式之间切换时能够平稳的对输出功率进行过渡，避免抖动的发生，如图1所示，本发明提出了一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法，无刷舵机以自抗扰控制模式运转，并根据控制信号对输出量进行调控，根据输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度，具体包括步骤：

S1：获取无刷舵机当前的控制模式，并根据控制信号获取无刷舵机需要切换的控制模式，所述控制模式包括位置模式和速度模式；

S2：判断需要切换的控制模式与当前的控制模式是否一致，若否，获取当前控制模式下的第一输出量，切换控制模式并进入下一步骤，否则，返回步骤S1；

S3：获取切换后控制模式下的第二输出量，根据第一输出量利用平均增减补偿法对预设周期内各周期的第二输出量进行逐次补偿，并获得补偿输出量。

其中，平均增减补偿法的公式表达式为：

I_R(n+1)＝I_B(n)+I_A(n)×(1-1/k)；n＝n+1；

式中，I_R(n+1)为补偿输出量,I_A(n)为第一输出量，I_B(n)为第二输出量，k为预设周期的周期数；n为随周期数增加而增加的常数，n的初始值为1。

因为舵机在进行位置(位置指舵面角度位置)模式和速度(速度指无刷舵机转速)模式之间的切换时，以速度模式切换至位置模式为例：

例如，当无刷舵机控制模式切换前为速度模式，且输出量达到了10安培，此时切换至位置模式，而位置模式下的初始输出量可能只有7安培，那么为了对两控制模式下的输出量峰值进行协调，避免输出量的骤降或骤增，那么就需要对初始输出量进行逐级补偿(逐级补偿的目的在于避免输出量骤变导致的舵机抖动)。考虑到上述这点，并结合无刷舵机本身速度模式下的速度环周期和位置模式下的位置环周期之间不相等的关系，本发明提出了通过平均增减补偿法对位置模式下的初始输出量进行补偿，每个周期补偿减小I_A(n)/k,从而使得连续k个预设周期后，输出量得到充分协调，避免了输出量的突变。

S4：根据补偿输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度。

进一步说明地，当控制模式由位置模式切换为速度模式时，所述周期为速度环周期；当控制模式由速度模式切换为位置模式时，所述周期为位置环周期。而所述控制信号中还包括实时转速信号或实时位置信号，所述第一输出量和第二输出量，

在位置模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据舵机的实时位置信号，通过自抗扰控制获得的；

在速度模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据无刷舵机的实时速度信号，通过自抗扰控制获得的。

其中，所述自抗扰公式组的表达式为：

z_1(m+1)＝z_1(m)+h×(z_2(m)+3×w₀×(N_(m)-z_1(m)))；

z_2(m+1)＝z_2(m)+h×(z_3(m)+b₀×I_(m)+3×w₀ ²×(N_(m)-z_1(m)))；

z_3(m+1)＝z_3(m)+h×w₀ ³×(N_(m)-z_1(m))；

I_0(m)＝w_c ²×(N_(m)-z_1(m))+2×w_c×(n_(m)-z_2(m))；

I_(m)＝I_0(m)-z_3(m)/b₀；

公式中，m表示当前采样周期，m+1表示下一采样周期，z₁为根据实时信号获得的第一期望信号，z₂为根据实时信号获得的第二期望信号，z₃为总干扰，N_(m)为实时信号，h为采样周期，b₀为舵机转矩系统与舵机转动惯量的比值，z_3(m)/b₀为总干扰补偿，n_(m)为m周期时根据实时信号获得的规划值，w₀为扩张状态观测器带宽，w_c为比例控制器带宽，I_0(m)为无扰动输出，I_(m)为逐次补偿前的输出量。

其中，速度模式下，z₁为根据实时转速信号获得的期望速度信号，z₂为根据实时转速信号获得的期望加速度信号,N_(m)为实时转速信号，h为转速采样周期，n_(m)为m周期时根据实时转速信号获得的加速度值(图4中期望加速度信号A_td在m周期时对应的值)；

位置模式下，z₁为根据实时位置信号获得的期望位置信号，z₂为根据实时位置信号获得的期望转速信号，N_(m)为实时位置信号，h为位置采样周期，n_(m)为m周期时根据实时位置信号获得的转速值(图3中期望转速信号n_td在m周期时对应的值)。

详细说明地，如图3和图4所示，目标位置或目标速度的所代表的目标位置信号S_r和目标速度信号N_r在图中是阶跃信号，如果直接根据阶跃信号对舵机的转速进行调节使舵机达到目标转速或舵面达到目标角度的话，势必会造成舵机的功率突变，从而导致电机本身的抖动。因此，为了使信号能够以较为平缓的趋势达到目标信号值，同时减少功率突变对减速器的冲击，并使舵机运行状态更加平稳，本发明对目标信号进行了一定规划。

在位置模式下，如图3(T表示舵面的初始位置)，将目标位置信号分为一个期望位置信号S_td(z₁)和一个期望转速信号n_td(z₂)，并分为三个阶段，包括：

启动阶段0→t₁，速度由0开始呈二次曲线连续柔性加速，加速时间为t₁，舵面开始转动，角度位置呈三次曲线缓慢逐步增加，柔性启动避免对齿轮冲击；

匀速阶段t₁→t₂，速度为匀速，舵面位置直线均匀增加；

停靠阶段t₂→t₃，位置靠近目标位置，速度呈二次曲线连续缓慢减速到0，角度位置呈三次曲线缓慢逐步逼近目标位置。减速时间(t₃-t₂)比加速时间t₁长，避免位置过冲和位置抖动，避免对减速器齿轮冲击。同时减速时间长可以增加位置检测精度，从而提高位置控制精度。

该控制模式下，位置速度三阶线性自抗扰控制：以位置、速度两个控制信息进行三阶线性自抗扰控制，将位置、速度两个控制环路合为一个控制环路，减小了角度位置的抖动，提高了控制的响应灵敏度。

在速度模式下，如图4(V表示无刷舵机的初始转速)，将目标速度信号分为一个期望速度信号N_td(z₁)和一个期望加速度信号A_td(z₂)，并分为三个阶段，包括：

启动阶段0→t₁，加速度由0呈二次曲线连续增加，加速时间为t₁，舵面开始连续柔性呈三次曲线加速转动。角速度连续柔性增加，启动避免对齿轮冲击；

匀速阶段t₁→t₂，加速度为匀速，舵面速度直线增加；

到达目标速度阶段t₂→t₃，加速度直线二次曲线连续减速到0，角速度呈三次曲线缓慢逐步逼近目标速度。加速度减慢时间(t₃-t₂)与加速度增加相同，同时减少了对减速器齿轮冲击，速度连续不抖动，速度控制精度高。

该控制模式下，速度加速度三阶线性自抗扰控制：以速度、加速度两个控制信息进行三阶线性自抗扰控制，将速度、加速度两个控制环路合为一个控制环路，减小了速度的波动，提高了控制的响应灵敏度。

在进行位置模式和速度模式切换时，由于自抗扰控制为位置式控制(根据实时位置信号和实时转速信号分别在期望位置信号、期望速度信号上的值进行自抗扰计算)，不是增量式控制，在单个模式控制时正常，但是在控制模式切换时，切换前模式的控制量较大，切换时的控制量较小，需要将控制量进行数据补偿融合，避免出现控制量突变，和舵机抖动，不安全，因此在控制模式切换时，需要进行控制率输出量的补偿处理，对输出量进行优化。因此，在使用自抗扰控制单模式下输出量的前提下，本发明才提出了通过平均增减补偿发对输出量进行补偿融合，从而避免控制量突变导致的舵机抖动。

进一步地，所述步骤S3之后还包括步骤：

S31：通过PI调节器对补偿输出量进行积分饱和，并限制补偿输出量小于预设值。

通过PI调节器对补偿输出量进行把控，避免其值超过预设值，从而保证电机不会出现过流冲击，延长电机的使用寿命。

实施例二

为了更好的对本发明的技术内容进行描述，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种用于角度位置与速度调节的电机控制系统，根据控制信号对输出量进行调控，并根据输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度，具体包括：

主控单元，用于获取无刷舵机当前的控制模式，并根据控制信号获取无刷舵机需要切换的控制模式，所述控制模式包括位置模式和速度模式；所述控制信号中还包括实时转速信号或实时位置信号；

判断单元，用于判断需要切换的控制模式与当前的控制模式是否一致，若否，获取当前控制模式下的第一输出量后切换控制模式；

优化单元，用于在切换控制模式时获取切换后控制模式下的第二输出量，根据第一输出量利用平均增减补偿法对预设周期内各周期的第二输出量进行逐次补偿，并获得补偿输出量；

输出单元，用于根据补偿输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度。(无刷舵机通过驱动减速器控制舵面转动)

进一步地，还包括计算单元，所述计算单元含有三阶扩张状态观测器和比例控制器，用于：

通过三阶扩张状态观测器和比例控制器根据舵机的实时位置信号，通过自抗扰控制获得位置模式下的输出量；

通过三阶扩张状态观测器和比例控制器根据无刷舵机的实时速度信号，通过自抗扰控制获得速度模式下的输出量。

进一步地，还包括PI调节器，用于对补偿输出量进行积分饱和，并限制补偿输出量小于预设值。

综上所述，本发明所述的一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法与系统，其通过在位置模式和速度模式切换时，对输出量进行平均增减补偿，避免切换至另一模式时其输出量突增导致的舵机抖动。

在控制模式不变的情况下，输出量是根据实时转速信号和实时位置信号进行扩张状态观测以及比例控制后，对输出量进行校准，并根据计算出的总干扰对输出量进行补偿，从而使得最终的输出量更加准确，符合实时信号的预期规划，从而降低舵机中电机的抖动。

通过PI调节器对补偿输出量进行把控，避免其值超过预设值，从而保证电机不会出现过流冲击，延长电机的使用寿命。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法，其特征在于，无刷舵机以自抗扰控制模式运转，并根据控制信号对输出量进行调控，根据输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度，具体包括步骤：

S1：获取无刷舵机当前的控制模式，并根据控制信号获取无刷舵机需要切换的控制模式，所述控制模式包括位置模式和速度模式；

S2：判断需要切换的控制模式与当前的控制模式是否一致，若否，获取当前控制模式下的第一输出量，切换控制模式并进入下一步骤，否则，返回步骤S1；

S3：获取切换后控制模式下的第二输出量，根据第一输出量利用平均增减补偿法对预设周期内各周期的第二输出量进行逐次补偿，并获得补偿输出量；

S4：根据补偿输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度；

所述控制信号中还包括实时转速信号或实时位置信号，所述第一输出量和第二输出量，

在位置模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据舵机的实时位置信号，通过自抗扰控制获得的；

在速度模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据无刷舵机的实时速度信号，通过自抗扰控制获得的；

所述自抗扰控制的表达式为：

公式中，m表示当前采样周期，m+1表示下一采样周期，z₁为根据实时信号获得的第一期望信号，z₂为根据实时信号获得的第二期望信号，z₃为总干扰，N_(m)为实时信号，h为采样周期，b₀为舵机转矩系统与舵机转动惯量的比值，z_3(m)/b₀为总干扰补偿，n_(m)为m周期时根据实时信号获得的规划值，w₀为扩张状态观测器带宽，w_c为比例控制器带宽，I_0(m)为无扰动输出，I_(m)为逐次补偿前的输出量；

所述速度模式下，z₁为根据实时转速信号获得的期望速度信号，z₂为根据实时转速信号获得的期望加速度信号,N_(m)为实时转速信号，h为转速采样周期，n_(m)为m周期时根据实时转速信号获得的加速度值；

所述位置模式下，z₁为根据实时位置信号获得的期望位置信号，z₂为根据实时位置信号获得的期望转速信号，N_(m)为实时位置信号，h为位置采样周期，n_(m)为m周期时根据实时位置信号获得的转速值。

2.如权利要求1所述的一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法，其特征在于，当控制模式由位置模式切换为速度模式时，所述周期为速度环周期；当控制模式由速度模式切换为位置模式时，所述周期为位置环周期。

3.如权利要求1所述的一种用于角度位置与速度调节的电机控制方法，其特征在于，所述S3步骤之后还包括步骤：

S31：通过PI调节器对补偿输出量进行积分饱和，并限制补偿输出量小于预设值。

4.一种用于角度位置与速度调节的电机控制系统，其特征在于，无刷舵机以自抗扰控制模式运转，并根据控制信号对输出量进行调控，根据输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度，具体包括：

主控单元，用于获取无刷舵机当前的控制模式，并根据控制信号获取无刷舵机需要切换的控制模式，所述控制模式包括位置模式和速度模式；所述控制信号中还包括实时转速信号或实时位置信号；

判断单元，用于判断需要切换的控制模式与当前的控制模式是否一致，若否，获取当前控制模式下的第一输出量后切换控制模式；

优化单元，用于在切换控制模式时获取切换后控制模式下的第二输出量，根据第一输出量利用平均增减补偿法对预设周期内各周期的第二输出量进行逐次补偿，并获得补偿输出量；

输出单元，用于根据补偿输出量驱动无刷舵机使舵面到达目标位置或目标角度；

所述控制信号中还包括实时转速信号或实时位置信号，所述第一输出量和第二输出量，

在位置模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据舵机的实时位置信号，通过自抗扰控制获得的；

在速度模式下，是利用三阶扩张状态观测器和比例控制器根据无刷舵机的实时速度信号，通过自抗扰控制获得的；

所述自抗扰控制的表达式为：

公式中，m表示当前采样周期，m+1表示下一采样周期，z₁为根据实时信号获得的第一期望信号，z₂为根据实时信号获得的第二期望信号，z₃为总干扰，N_(m)为实时信号，h为采样周期，b₀为舵机转矩系统与舵机转动惯量的比值，z_3(m)/b₀为总干扰补偿，n_(m)为m周期时根据实时信号获得的规划值，w₀为扩张状态观测器带宽，w_c为比例控制器带宽，I_0(m)为无扰动输出，I_(m)为逐次补偿前的输出量；

所述速度模式下，z₁为根据实时转速信号获得的期望速度信号，z₂为根据实时转速信号获得的期望加速度信号,N_(m)为实时转速信号，h为转速采样周期，n_(m)为m周期时根据实时转速信号获得的加速度值；

所述位置模式下，z₁为根据实时位置信号获得的期望位置信号，z₂为根据实时位置信号获得的期望转速信号，N_(m)为实时位置信号，h为位置采样周期，n_(m)为m周期时根据实时位置信号获得的转速值。

5.如权利要求4所述的一种用于角度位置与速度调节的电机控制系统，其特征在于，还包括计算单元，所述计算单元含有三阶扩张状态观测器和比例控制器，用于：

通过三阶扩张状态观测器和比例控制器根据舵机的实时位置信号，通过自抗扰控制模式获得位置模式下的输出量；

通过三阶扩张状态观测器和比例控制器根据无刷舵机的实时速度信号，通过自抗扰控制模式获得速度模式下的输出量。