CN115133842B - 一种基于虚拟闭环的pwm伺服驱动器电磁干扰解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，包括以下步骤：基于初始化指令，设置数字控制系统为虚拟闭环模式；基于所述虚拟闭环模式，获取角位置测量值；将所述角位置测量值输入所述数字控制系统，接受后续指令；基于找零指令，生成找零成功信号；并基于指令功能复用，设置数字控制系统为工作闭环模式；接收所述找零成功信号，执行常规控制指令。本发明在常规控制系统工作闭环回路基础上，增加了一种虚拟闭环模式，来消除此类电磁干扰对控制系统状态的影响。与传统信号隔离和电磁屏蔽处理手段相比，具有成本低、易于实现的优势。

Description

一种基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法

技术领域

本发明属于伺服控制领域，特别是涉及一种基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法。

背景技术

随着电子技术的发展，脉冲宽度调制技术(简称PWM)通过利用数字信号开关来实现对稳压电源晶体管导通时间的控制，可以满足伺服驱动器功率调节应用需求。相对模拟电路伺服驱动器技术，PWM伺服驱动器具有体积小、重量轻、能耗低和稳定性好等优势，已广泛应用于各类数字闭环控制系统。

PWM伺服驱动器虽然优点多，但是受其技术体制限制。由于频繁的脉冲宽度调制，导致PWM伺服驱动器内部电压电流变化剧烈，会对数字闭环控制系统中其它的电气设备产生强电磁干扰。特别的，随着光栅测量传感器技术的应用，为克服PWM伺服驱动器功率电源上电或断电操作对微弱的光栅脉冲计数信号影响，通常都需要增加额外的电信号隔离器件和有效的电磁屏蔽处理，来消除此类电磁干扰对光栅测量系统的影响。这种处理方法，不仅增加了系统复杂性；而且增加了系统研制难度与成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，该方法在不增加电信号隔离器件的基础上，通过对伺服控制系统上下位机通讯指令的功能复用，基于数字控制器对通讯指令的解析与识别，在传统伺服控制系统控制输入与测量信息构建的工作闭环反馈系统端，增加了虚拟闭环回路，即在PWM伺服驱动器上电或断电时刻，通过虚拟闭环回路保持控制输入与测量信息一致，确保控制算法输入为“零”，从而克服PWM伺服驱动器功率电源开关时的强电磁干扰对光栅测量传感器微弱脉冲信号影响，保持控制设备正常运行。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，包括以下步骤：

下位机接收初始化指令，设置数字控制系统为虚拟闭环模式；所述下位机为基于DSP开发的数字控制器；

基于所述虚拟闭环模式，获取角位置测量值；

基于所述角位置测量值对所述数字控制系统的误差进行控制；

所述下位机接收找零指令，生成找零成功信号；并基于指令功能复用，设置所述数字控制系统为工作闭环模式；

上位机接收所述找零成功信号，执行常规控制指令；所述上位机为转台数据管理操作平台。

优选地，接收初始化指令的过程包括：

接收初始化指令，获取初始化自锁变量；

若所述初始化自锁变量大于预设初始化自锁变量值，则初始化自锁变量为开，执行变量初始化操作；

若所述初始化自锁变量小于等于预设初始化自锁变量值，则不执行变量初始化操作。

优选地，所述下位机接收所述初始化指令，设置数字控制系统为虚拟闭环模式的过程包括：

接收所述初始化指令，设置初始化自锁状态为开，所述下位机对应的控制算法、光栅测量电路完成初始化操作；初始化操作完成后，设置数字控制系统为虚拟闭环模式，设置初始化自锁状态为关。

优选地，获取角位置测量值的过程包括：基于所述下位机的定时器，在固定的时间间隔自动读取角位置光栅测量传感器的信息，获得所述角位置测量值。

优选地，生成找零成功信号之前还包括：

所述下位机接收所述找零指令的通讯字符串，基于预设的通讯协议，对所述通讯字符串进行解析识别，确认所述通讯字符串代表的指令为找零指令。

优选地，生成找零成功信号的过程包括：

设置角位置光栅传感器计算器清零；在预置速度模式下反复执行找零程序，直至找到所述角位置光栅传感器标识的物理零点，生成找零成功信号。

优选地，基于指令功能复用，设置数字控制系统为工作闭环模式的过程包括：

所述下位机接收所述找零指令，设置找零自锁状态为开，设置角位置光栅传感器计算器清零，执行找零操作；找零操作完成后，设置数字控制系统为工作闭环模式，设置找零自锁状态为关。

优选地，执行常规控制指令的过程包括：

对所述常规控制指令和数据量进行解析，识别当前常规控制指令是否与当前执行控制指令一致；若不一致，则更新所述常规控制指令。

本发明的技术效果为：

1、针对PWM伺服驱动器功率电源上电和断电电磁干扰对角位置光栅测量微弱脉冲信号造成的突变影响，本发明增加了一种虚拟闭环模式，来消除电源上电时此类电磁干扰对控制系统状态的影响，并且通过执行找零指令和常规操作指令来消除电源断电时电磁干扰对控制系统状态的影响，与采用传统信号隔离和电磁屏蔽处理手段相比，具有成本低、易于实现的优势。

2、本发明在不改变传统转台控制系统上下位机通讯指令框架的基础上，利用下位机通过指令功能复用的方式，实现了用户无感的虚拟闭环与工作闭环双模式自由切换，具有架构一致性好、通用性强的优势。

3、本发明在传统指令字段解析与识别的基础上，通过进一步增加控制指令量更新判断的操作，有效消除了数字控制器内部对控制指令输入信号高频采样读取，与上下位之间频繁通讯对控制指令信号更新造成的存取冲突，提高了闭环控制系统稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的数字控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例中的数字控制器初始化自锁保护机制流程图；

图3为本发明实施例中的虚拟闭环数字控制系统信号流闭环回路示意图；

图4为本发明实施例中的工作闭环数字控制系统信号流闭环回路示意图；

图5为本发明实施例中的转台上电找零流程图；

图6为本发明实施例中的转台常规控制指令操作流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

本发明涉及的数字控制系统结构示意图如图1所示。按图中所示，上位机是基于QNX实时操作系统开发的转台数据管理操作平台，操作人员可通过该操作平台提供的可视化人机交互界面，利用上位机和下位机之间的RS422通讯接口，向下位机发送各类控制指令，并接收下位机反馈的反馈信息，进行转台运动状态实时显示。

下位机是基于DSP开发的数字控制器，在接收上位机控制指令的基础上，基于控制指令解析与识别结果，通过采集角位置光栅传感器反馈的角位置信息，结合内置的控制算法，生成控制信号。PWM伺服驱动器根据控制信号输入值，利用其功率调节功能，驱动直流力矩电机输出不同的力矩，实现对转台旋转轴角位置状态的控制，并经由角位置光栅传感器完成角位置状态测量与反馈。

一种基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，操作步骤为：

第一步：上位机开机，运行转台数据管理操作平台软件，进入转台可视化操作界面，后台定时向下位机发送初始化指令。

第二步：基于DSP的数字控制器(下位机)、PWM伺服驱动器和角位置光栅传感器等电气设备信号电源上电。

第三步：下位机通过RS422通讯接口，接收上位机“初始化指令”，并采用自锁机制，设置数字控制系统工作于“虚拟闭环模式”。此时，下位机虽然接收上位机控制指令u_c，但不以该控制指令信号为输入。数字控制系统以角位置测量信号θ_o为输入，即u_i＝θ_o。由控制系统偏差Δe＝u_i-θ_o可知，无论测量信号受外部电磁干扰如何剧烈变化，控制系统偏差Δe＝0，系统保持稳定状态。

基于DSP的数字控制器通过RS422通讯接口，定时读取上位机控制指令，并按设计好的通讯协议，对串行指令的前2个字节字头信息进行解析与识别。针对当前上位机发送的“初始化指令”，为避免重复初始化操作对系统状态的影响，采用自锁机制，在完成数字控制器对应的控制算法和光栅测量电路等参数初始化操作，以及数字控制系统信号流闭环模式切换至虚拟闭环模式的基础上，设置初始化自锁为“关”状态，以确保下位机初始化操作只进行一次，具体流程如图2所示。

其中，自锁机制在数字控制系统上电后，默认设置初始化自锁变量init_FindZero＝1,表征锁的状态为开。当数字控制系统接收初始化指令后，首先通过判断初始化自锁变量init_FindZero是否大于0，来确定初始化自锁状态是开的状态，如是则执行变量初始化操作，如否则不执行。数字控制系统执行一次初始化指令后，设置init_FindZero＝-1，表征初始化自锁状态为关，以确保后续不会再执行初始化操作。

其中，虚拟闭环模式的数字控制系统信号流闭环回路如图3所示。由图可知，虚拟闭环模式是在常规控制系统工作闭环回路基础上，通过增加基于控制指令模式识别与对应的软件功能切换操作，针对不同控制指令，实现两种控制信号流闭环回路。显然，当PWM伺服控制器功率电源上电后稳态运行时，系统设置为工作闭环模式，可执行正常的伺服控制指令。当PWM伺服控制器功率电源经历上电和断电强电磁干扰过程时，系统设置为虚拟闭环模式。此时，虽然因强电磁干扰对光栅传感器微弱脉冲信号的影响，角位置测量值会发生剧变；但因虚拟闭环回路中的控制输入与角位置测量值一致，其在控制端不会产生异常的大偏差，转台设备保持原有状态，不会因角位置测量值突变发散异常飞车。

第四步：下位机根据当前设置的虚拟闭环工作模式，按数字控制器采用频率，自动读取角位置光栅测量传感器信息，并设置控制输入为角位置测量值，控制端误差信号始终为“0”，转台处于原始运动状态。

第五步：操作者通过上位机人机交互界面“使能”功能按钮，向下位机发送“使能命令”。下位机通过DSP操控数字I/O接口，利用继电器电路给PWM伺服驱动器功率电源上电。

数字控制器接收指令后，通过数字接口给PWM功率电源上电，此时，受PWM伺服驱动器功率电源上电产生的强电磁干扰影响，角位置光栅传感器微弱的脉冲信号会发生巨变，光栅角位置传感器测量值跳变为

按传统伺服控制系统“使能命令”构建的单一工作闭环控制信号流回路，控制端误差突变，会导致转台异常飞车。但因当前控制系统处于新增的虚拟闭环模式，，

控制系统偏差Δe＝0，即控制输入始终跟随角位置测量值，控制端误差保持为零，故转台保持原始状态，静待后续控制指令。整个过程中，用户无感。

数字控制系统为保证对上位机指令的响应速度，在基于数字控制器确定的50ms定时采样周期内，每次都会读取上下位机通信接口。以通讯字符串中字头的2个字节设计通讯协议，一方面通过字节比较确认控制指令的有效性，以消除空间电磁扰动对通信指令的影响，避免异常指令被执行；另一方面，通过比较控制指令变量与当前在执行控制指令变量是否一致，且当指令变量不一致时，才执行，以避免上位机下达的指令因数字控制系统高频次采样被重复执行。

第六步：操作者通过上位机人机交互界面“找零”功能按钮，向下位机发送“找零命令”。

第七步：下位机通过DSP数字控制器，接收“找零指令”，执行预置找零程序，并基于指令功能复用，将控制系统设置为工作闭环模式。

“找零”指令完成以下3个功能：首先为避免当前受电磁干扰已发生跳变的测量信号输出值θ_o对找零程序影响，以及切换为工作闭环模式时，控制指令u_c与θ_o存在大偏差，导致控制系统非常，通过测量传感器输出清理操作，使得θ_o＝0。其次，将数字控制系统从虚拟闭环模式切换为工作闭环模式，即接收上位机控制指令u_c，并该控制指令为输入，保持u_i＝u_c。此时，控制系统偏差Δe＝u_c-θ_o，进入正常的闭环控制流程。最后，由数字控制系统按预置找零程序，完成找零并向上位机反馈找零结果。

执行预置找零程序的过程包括：

下位机通过DSP数字控制器提供的RS422通讯接口，接收“找零指令”通讯字符串，并按设计好的通讯协议，对串行指令的前2个字节字头信息进行解析与识别。当确认当前指令为“找零指令”时，为消除PWM伺服驱动器功率电源上电电磁干扰对角位置光栅传感器的影响，先通过DSP数字控制器I/O接口设置角位置光栅传感器计算器清零，以保障找零程序运行初状态的一致性。

在此基础上，按预置速度模式先顺时针再逆时针方向执行找零程序，直至找到角位置光栅传感器标识的物理零点，并通过上下位机间的通讯接口，返回找零已完成。

在找零完成基础上，基于指令功能复用，将控制系统设置为工作闭环模式，等待后续控制指令。具体如图4所示。

和初始化指令相同，为避免重复找零操作对系统状态的影响，也采用自锁机制，在完成转台角位置测量信息找零操作，以及数字控制系统信号流闭环模式切换至工作闭环模式的基础上，设置找零自锁为“关”状态，以确保下位机找零操作只进行一次，具体找零流程如图5所示。

第八步：上位机接收“找零成功”反馈后。通过人机交互界面执行“位置”、“速度”和“伺服跟踪”等常规操作。由于在此过程中，无PWM功率电源开关操作产生强电磁干扰，角位置测量信息无跳变，系统正常工作。

在转台控制系统执行常规控制指令时，为消除下位机DSP数字控制器对相同控制指令重复更新与数字控制器定时采样在数据存取过程中的冲突。在通讯字符串字头常规控制指令模式识别的基础上，进一步增加常规控制指令数值的识别。如果当前常规控制指令模式和数值都与当前执行控制指令一致，则不更新控制指令，具体流程如图6所示。

第九步：当操作者完成给定仿真任务后。通过上位机人机操作界面“使能退出”功能按钮，向下位机发出使能退出操作命令。

第十步：下位机接收使能退出操作命令，先通过软操作将“工作闭环模式”切换为“虚拟闭环模式”，再执行PWM伺服驱动器功率电源断电指令。确保PWM伺服驱动器功率电源关闭时的电磁干扰，不会因对角位置光栅传感器微弱脉冲信号的影响，造成异常飞车。即首先基于指令功能复用，将当前工作闭环模式切换为虚拟闭环模式，即切断控制指令u_c与控制输入量u_i之间的通路，直接读取角位置测量信号θ_o为控制量输入，即u_i＝θ_o。由控制系统偏差Δe＝u_i-θ_o可知，无论测量信号受外部电磁干扰如何剧烈变化，控制系统偏差Δe＝0，系统保持稳定状态。其次，通过数字接口，关闭PWM功率电源。此时，虽然角位置测量信号为发生跳变，但因数字控制系统处于虚拟闭环模式，控制系统偏差始终为零，系统状态保持稳定。

第十一步：基于DSP的数字控制器(下位机)、PWM伺服驱动器和角位置光栅传感器等电气设备信号电源断电。

第十二步：关闭转台数据管理操作平台软件，上位机关机。

本发明具有以下优点：

针对PWM伺服驱动器功率电源上电和断电电磁干扰对角位置光栅测量微弱脉冲信号造成的突变影响，在常规控制系统工作闭环回路基础上，通过软操作增加基于控制指令模式识别与对应的软件功能切换操作，增加了一种虚拟闭环模式，来消除此类电磁干扰对控制系统状态的影响。与传统信号隔离和电磁屏蔽处理手段相比，具有成本低、易于实现的优势。

在不改变传统转台控制系统上下位机通讯指令框架的基础上，仅在下位机通过指令功能复用的方式，实现了用户无感的虚拟闭环与工作闭环双模式自由切换，具有架构一致性好、通用性强的优势。

在传统指令字段解析与识别的基础上，通过进一步增加控制指令量更新判断的操作，有效消除了数字控制器内部对控制指令输入信号高频采样读取，与上下位之间频繁通讯对控制指令信号更新造成的存取冲突，提高了闭环控制系统稳定性。

针对PWM功率驱动上电过程中的强电磁干扰，会对光盘码盘测量信号产生跳变，造成飞车的问题。在传统先数字电路数据闭环基础上，再通过控制功率电源按钮的方案，提出虚拟闭环概念，即当控制输入无输入时，默认测量信号始终与输入信号保持一致。即使功率电源通电，也不产生输出力或力矩。只有首次接收控制信号时，才进入闭环控制。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，包括以下步骤：

下位机接收初始化指令，通过改变链路连接的方式设置数字控制系统为虚拟闭环模式；所述改变链路连接的方式为切断上位机控制指令与控制输入之间的链路，连接所述控制输入与角位置光栅传感器之间的链路；

基于所述虚拟闭环模式，自动获取角位置测量值；

基于所述角位置测量值对所述数字控制系统的误差进行控制；

下位机通过通讯接口，接收上位机“初始化指令”，并采用自锁机制，设置数字控制系统工作于“虚拟闭环模式”,数字控制系统以角位置测量信号θ_o为输入，即u_i＝θ_o由控制系统偏差Δe＝u_i-θ_o可知，无论测量信号受外部电磁干扰,

如何剧烈变化，控制系统偏差Δe＝0，系统保持稳定状态；

下位机接收找零指令，生成找零成功信号；并基于指令功能复用，设置所述数字控制系统为工作闭环模式；

执行预置找零指令的过程包括：

下位机通过DSP数字控制器提供的RS422通讯接口，接收“找零指令”通讯字符串，并按设计好的通讯协议，对串行指令的前2个字节字头信息进行解析与识别，当确认当前指令为“找零指令”时，为消除PWM伺服驱动器功率电源上电磁干扰对角位置光栅传感器的影响，先通过DSP数字控制器I/O接口设置角位置光栅传感器计算器清零，以保障找零程序运行初状态的一致性；

在此基础上，按预置速度模式先顺时针再逆时针方向执行找零程序，直至找到角位置光栅传感器标识的物理零点，并通过上下位机间的通讯接口，返回找零已完成；

在找零完成基础上，基于指令功能复用，将控制系统设置为工作闭环模式，等待后续控制指令；

上位机接收所述找零成功信号，执行常规控制指令；

虚拟闭环模式是在常规控制系统工作闭环回路基础上，通过增加基于控制指令模式识别与对应的软件功能切换操作，针对不同控制指令，实现两种控制信号流闭环回路，当PWM伺服控制器功率电源上电后稳态运行时，系统设置为工作闭环模式，可执行正常的伺服控制指令，当PWM伺服控制器功率电源经历上电和断电强电磁干扰过程时，系统设置为虚拟闭环模式。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

所述上位机为转台数据管理操作平台，所述下位机为基于DSP开发的数字控制器。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

接收初始化指令的过程包括：

接收初始化指令，获取初始化自锁变量；

若所述初始化自锁变量大于预设初始化自锁变量值，则初始化自锁变量为开，执行变量初始化操作；

若所述初始化自锁变量小于等于预设初始化自锁变量值，则不执行变量初始化操作。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

接收初始化指令的过程包括：

下位机接收所述初始化指令，设置初始化自锁状态为开，所述下位机对应的控制算法、光栅测量电路完成初始化操作。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

获取角位置测量值的过程包括：基于所述下位机的定时器，在固定的时间间隔自动读取角位置光栅测量传感器的信息，获得所述角位置测量值。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

生成找零成功信号之前还包括：

下位机接收所述找零指令的通讯字符串，基于预设的通讯协议，对所述通讯字符串进行解析识别，确认所述通讯字符串代表的指令为找零指令。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

生成找零成功信号的过程包括：

设置角位置光栅传感器计算器清零；在预置速度模式下反复执行找零程序，直至找到所述角位置光栅传感器标识的物理零点，生成找零成功信号。

8.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

基于指令功能复用，设置数字控制系统为工作闭环模式的过程包括：

所述下位机接收所述找零指令，基于指令功能复用，切断所述控制输入与角位置光栅传感器之间的链路，连接所述控制输入与所述控制指令之间的链路，设置数字控制系统为工作闭环模式。

9.根据权利要求1所述的基于虚拟闭环的PWM伺服驱动器电磁干扰解决方法，其特征在于，

执行常规控制指令的过程包括：

对所述常规控制指令和数据量进行解析，识别当前常规控制指令是否与当前执行控制指令一致；若不一致，则更新所述常规控制指令。

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