CN210380707U - 一种基于参数已知的电机控制系统 - Google Patents

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曹振兴
汪莉霞
冯维
李圆伟
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Abstract

本实用新型公开了一种基于参数已知的电机控制系统，涉及电机控制技术领域。所述电机控制系统，包括包括三环控制器、比例环节、一阶惯性环节Ⅰ、一阶惯性环节Ⅱ、第一积分环节以及第二积分环节，其中三环控制器中的速度控制器采用基于LuGre摩擦模型的速度控制器，通过该摩擦模型获得摩擦力矩估算值，将摩擦力矩估算值转换成速度补偿值，从而对被控电机的速度进行控制，达到对实际摩擦力矩进行补偿的目的，提高了伺服电机控制系统的动、静态特性，抗干扰能力强，保证了在低速非线性摩擦条件下伺服电机控制系统的速度稳定性和定位精度，避免了极限环振荡现象。

Description

一种基于参数已知的电机控制系统
技术领域
本实用新型属于电机控制技术领域，尤其涉及一种基于参数已知的电机控制系统。
背景技术
三自激光惯组产品伺服电机控制系统通过控制惯组产品转位机构转动，实现捷联惯组在线自标定、自对准、自检测功能。
在三自激光惯组产品进行三自功能时，其伺服电机控制系统处于低速运行的状态，此时伺服电机控制系统速度输入信号小，干扰影响大，使转位机构产生抖动，抖动会导致伺服电机控制系统随着抖动频率进行伺服控制，从而影响标定和对准精度。伺服电机控制系统低速运行时的干扰包括：摩擦力矩扰动和转矩波动扰动等，其中摩擦力矩扰动是影响伺服电机控制系统性能的主要因素，因此，在三自惯组伺服电机控制系统中必须对摩擦力矩进行补偿。摩擦力矩补偿主要分两种：一种是基于非模型补偿，另一种是基于模型补偿。基于非模型补偿，主要使用PID控制，其结构简单易于实现，但PID参数需要重复试凑，且在低速或零速条件下容易出现极限环振荡现象。基于模型的补偿方法又可分为参数未知和参数已知的补偿。参数未知的补偿多采用观测器在线辨识的方法对摩擦进行自适应补偿，辨识过程比较复杂不适合实践应用，现阶段对在线辨识的方法大多处于理论研究阶段。
实用新型内容
针对现有技术中非模型摩擦力矩补偿易出现极限环振荡，未知参数模型摩擦力矩补偿辨识过程复杂不适合实践应用，本实用新型提供一种基于参数已知的基于参数已知的电机控制系统，在三环控制器的速度控制器中增加LuGre摩擦模型，通过该摩擦模型获得摩擦力矩估算值，将摩擦力矩估算值转换成速度补偿值，从而对被控电机的速度进行控制，达到对实际摩擦力矩进行补偿的目的，避免极限环振荡现象；LuGre摩擦模型的摩擦参数已知，无需在线辨识，适于实践应用。
本实用新型是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于参数已知的电机控制系统包括三环控制器、比例环节、一阶惯性环节Ⅰ、一阶惯性环节Ⅱ、第一积分环节以及第二积分环节；所述三环控制器包括位置控制器、基于LuGre摩擦模型的速度控制器以及电流控制器；
位置控制信号和角度反馈信号分别作为第一比较器的两个输入，所述第一比较器的输出端与所述位置控制器的输入端相连；所述位置控制器的输出端与第二比较器的一个输入端相连，第二比较器的另一个输入端与第一积分环节的输出端相连；所述第二比较器的输出端与基于LuGre摩擦模型的速度控制器的输入端相连，基于LuGre摩擦模型的速度控制器的输出端与第三比较器的一个输入端相连，第三比较器的另一个输入端与一阶惯性环节Ⅰ的输出端相连；所述第三比较器的输出端与所述电流控制器的输入端相连；所述电流控制器的输出端与所述比例环节的输入端相连，所述比例环节的输出端与第四比较器的一个输入端相连，第四比较器的另一个输入端与第一积分环节的输出端相连；所述第四比较器的输出端与一阶惯性环节Ⅱ的输入端相连，一阶惯性环节Ⅱ的输出端与一阶惯性环节Ⅰ的输入端、第五比较器的一个输入端相连；第五比较器的另一个输入为摩擦力矩估算值；所述第五比较器的输出端与第一积分环节的输入端相连，所述第一积分环节的输出端与所述第二积分环节的输入端相连，第二积分环节的输出端与所述第一比较器的一个输入端相连。
转位机构的实时速度信号经过速度控制器中的摩擦模型得到摩擦力矩估算值，通过摩擦力矩估算值可获得速度补偿值，速度补偿值、速度控制信号以及实时速度信号经过速度控制器的调节获得电流控制信号，电流控制信号经过电流控制器的调节获得电压控制信号，通过电压控制信号对被控伺服力矩电机进行控制，以达到对伺服力矩电机速度控制的目的，从而实现对伺服力矩电机的实际摩擦力矩的补偿，提高了伺服电机控制系统的动、静态特性，抗干扰能力强，保证了在低速非线性摩擦条件下伺服电机控制系统的速度稳定性和定位精度，避免了极限环振荡现象。
进一步地，所述位置控制器采用P控制。
进一步地，所述基于LuGre摩擦模型的速度控制器采用PID控制。
进一步地，所述电机控制系统还包括低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述第二积分环节的输出端相连，低通滤波器的输出端与所述第一比较器的一个输入端相连，以滤除激光陀螺抖动带来的干扰，提高伺服电机控制的动、静态特性。
有益效果
与现有技术相比，本实用新型提供的一种基于参数已知的电机控制系统，包括包括三环控制器、比例环节、一阶惯性环节Ⅰ、一阶惯性环节Ⅱ、第一积分环节以及第二积分环节，其中三环控制器中的速度控制器采用基于LuGre摩擦模型的速度控制器，通过该摩擦模型获得摩擦力矩估算值，将摩擦力矩估算值转换成速度补偿值，从而对被控电机的速度进行控制，达到对实际摩擦力矩进行补偿的目的，提高了伺服电机控制系统的动、静态特性，抗干扰能力强，保证了在低速非线性摩擦条件下伺服电机控制系统的速度稳定性和定位精度，避免了极限环振荡现象；LuGre摩擦模型的摩擦参数可以通过测量估算或厂商提供，无需在线辨识，提高了电机控制系统的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例基于参数已知的电机控制系统的传递函数方框图。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型所提供的一种基于参数已知的电机控制系统包括三环控制器、比例环节、一阶惯性环节Ⅰ、一阶惯性环节Ⅱ、第一积分环节以及第二积分环节；三环控制器包括位置控制器、基于LuGre摩擦模型的速度控制器以及电流控制器；
位置控制信号和角度反馈信号分别作为第一比较器的两个输入，第一比较器的输出端与位置控制器的输入端相连；位置控制器的输出端与第二比较器的一个输入端相连，第二比较器的另一个输入端与第一积分环节的输出端相连；第二比较器的输出端与基于LuGre摩擦模型的速度控制器的输入端相连，基于LuGre摩擦模型的速度控制器的输出端与第三比较器的一个输入端相连，第三比较器的另一个输入端与一阶惯性环节Ⅰ的输出端相连；第三比较器的输出端与电流控制器的输入端相连；电流控制器的输出端与比例环节的输入端相连，比例环节的输出端与第四比较器的一个输入端相连，第四比较器的另一个输入端与第一积分环节的输出端相连；第四比较器的输出端与一阶惯性环节Ⅱ的输入端相连，一阶惯性环节Ⅱ的输出端与一阶惯性环节Ⅰ的输入端、第五比较器的一个输入端相连；第五比较器的另一个输入为摩擦力矩估算值；第五比较器的输出端与第一积分环节的输入端相连，第一积分环节的输出端与第二积分环节的输入端相连，第二积分环节的输出端与第一比较器的一个输入端相连。
第一比较器以位置控制信号θ*和角度反馈信号θ作为输入，第一比较器的输出信号作为位置控制器Wp(s)的输入信号，位置控制器Wp(s)输出的速度控制信号为第二比较器的一路输入信号，第二比较器的另一路输入信号为由摩擦力矩估算值Mf计算获得的速度补偿值(摩擦力矩估算值Mf经过第一积分环节
Figure BDA0002225353940000051
即获得速度补偿值，J为转位机构等效到电机转子端的转动惯量)，第二比较器的输出信号作为基于LuGre摩擦模型的速度控制器Wv(s)的输入信号，速度控制器Wv(s)输出的电流控制信号为第三比较器的一路输入信号，第三比较器的另一路输入信号为一阶惯性环节Ⅰ(
Figure BDA0002225353940000052
βi、Toi分别为电流测量环节放大倍数和时间常数)输出的电流反馈信号，第三比较器的输出信号作为电流控制器Wi(s)的输入信号，电流控制器输出的电压控制信号为比例环节KPWM(KPWM为PWM波的放大倍数)的输入，比例环节KPWM的输出为一阶惯性环节Ⅱ(
Figure BDA0002225353940000053
Ts为电机电磁时间常数)的一路输入信号，一阶惯性环节Ⅱ
Figure BDA0002225353940000054
的另一路输入信号为反动势(反动势等于实时速度信号乘以Ce，Ce表示电机电势常数)，一阶惯性环节Ⅱ
Figure BDA0002225353940000055
输出的电流信号乘以Cm即得到力矩信号(Cm表示电机转矩常数)，力矩信号作为第一积分环节
Figure BDA0002225353940000056
的一路输入信号，第一积分环节的另一路输入信号为摩擦力矩估算值，第一积分环节
Figure BDA0002225353940000057
输出的实时速度信号为第二积分环节
Figure BDA0002225353940000058
的输入信号，第二积分环节
Figure BDA0002225353940000059
的输出信号为角度反馈信号，该角度反馈信号作为第一比较器的一路输入信号。通过第二积分环节输出的角度反馈信号可以获得速度控制信号，根据实时速度信号
Figure BDA0002225353940000061
又可以获得摩擦力矩的估算值和实际摩擦力矩，根据摩擦力矩估算值可以获得速度补偿值，速度补偿值、速度控制信号以及实时速度信号
Figure BDA0002225353940000062
经过速度控制器的调节得到电流控制信号，电流控制信号经电流控制器转换成电压控制信号后控制伺服力矩电机的速度，从而实现对伺服力矩电机速度的控制，整个过程为一个闭环，通过实时速度信号不断获得摩擦力矩估算值和实际摩擦力矩，又通过摩擦力矩估算值获得速度补偿值，实现对实际摩擦力矩的不断补偿，从而实现伺服力矩电机的速度控制，保证了在低速非线性摩擦条件下伺服电机控制系统的速度稳定性和定位精度，避免了极限环振荡现象。
本实施例中，位置控制器采用P控制，基于LuGre摩擦模型的速度控制器采用PID控制。速度控制器中的摩擦模型是基于LuGre模型来构建的，摩擦模型的具体表达式为：
Figure BDA0002225353940000063
Figure BDA0002225353940000064
Figure BDA0002225353940000065
式中，Mf为转位机构的摩擦力矩估算值，σ0、σ1为转位机构轴承的动态摩擦系数，Fc、Fs、α、Vs为转位机构轴承的静态摩擦参数，其中，Fc为转位机构轴承的库伦摩擦，Fs为转位机构轴承的静摩擦，α为转位机构轴承的粘性摩擦系数，Vs为Stribeck特征速度，θ为转位机构的角度，
Figure BDA0002225353940000066
为转位机构的速度。转位机构轴承的动态摩擦系数σ0、σ1和静态摩擦参数Fc、Fs、α、Vs通过测量估算或者厂商提供来获得。
电机控制系统还包括低通滤波器，低通滤波器的输入端与第二积分环节的输出端相连，低通滤波器的输出端与第一比较器的一个输入端相连；低通滤波器将第二积分环节输出的角度反馈信号经过滤波后再输入至位置控制器，以滤除激光陀螺抖动带来的干扰，提高了伺服电机控制的动、静态特性。
本实施例中，三环控制器、比例环节、一阶惯性环节Ⅰ、一阶惯性环节Ⅱ、第一积分环节以及第二积分环节均为现有技术，可参考《自动控制原理》，满红等著，清华大学出版社；速度控制器中的LuGre摩擦模型为现有技术，可参考王喜明等提出的基于LuGre模型的摩擦力补偿的研究，科学技术与工程，2007.3(5)。
以上所揭露的仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于参数已知的电机控制系统，其特征在于：包括三环控制器、比例环节、一阶惯性环节Ⅰ、一阶惯性环节Ⅱ、第一积分环节以及第二积分环节；所述三环控制器包括位置控制器、基于LuGre摩擦模型的速度控制器以及电流控制器；
位置控制信号和角度反馈信号分别作为第一比较器的两个输入，所述第一比较器的输出端与所述位置控制器的输入端相连；所述位置控制器的输出端与第二比较器的一个输入端相连，第二比较器的另一个输入端与第一积分环节的输出端相连；所述第二比较器的输出端与基于LuGre摩擦模型的速度控制器的输入端相连，基于LuGre摩擦模型的速度控制器的输出端与第三比较器的一个输入端相连，第三比较器的另一个输入端与一阶惯性环节Ⅰ的输出端相连；所述第三比较器的输出端与所述电流控制器的输入端相连；所述电流控制器的输出端与所述比例环节的输入端相连，所述比例环节的输出端与第四比较器的一个输入端相连，第四比较器的另一个输入端与第一积分环节的输出端相连；所述第四比较器的输出端与一阶惯性环节Ⅱ的输入端相连，一阶惯性环节Ⅱ的输出端与一阶惯性环节Ⅰ的输入端、第五比较器的一个输入端相连；第五比较器的另一个输入为摩擦力矩估算值；所述第五比较器的输出端与第一积分环节的输入端相连，所述第一积分环节的输出端与所述第二积分环节的输入端相连，第二积分环节的输出端与所述第一比较器的一个输入端相连。
2.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述位置控制器采用P控制。
3.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述基于LuGre摩擦模型的速度控制器采用PID控制。
4.如权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：还包括低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述第二积分环节的输出端相连，低通滤波器的输出端与所述第一比较器的一个输入端相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110535397A (zh) * 2019-10-08 2019-12-03 湖南航天机电设备与特种材料研究所 一种基于参数已知的电机控制方法及系统
CN112792558A (zh) * 2021-04-02 2021-05-14 苏州鼎纳自动化技术有限公司 一种精确旋转对位机构

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