法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-12-10
授权
授权
2019-02-12
实质审查的生效 IPC(主分类):H02N2/00 申请日:20180914
实质审查的生效
2019-01-15
公开
公开
技术领域
本发明涉及电机控制器领域,具体涉及一种基于预滑动摩擦力模 型的超声波电机轮廓控制器。
背景技术
现有的超声波电机伺服控制系统,根据预摩擦模型的性质,可以 发现该模型是高度非线性的,并且获得包括反转点状态在内的所有状 态信息是物理上不可能实现的。在这种情况下,在这个模型上的直接 设计是一个具有挑战性的问题,需要在非线性系统上进行深刻且巧妙 的控制设计技术。另外,由于缺乏状态测量信息,这导致了在实现的 观点中只有输出反馈设计适用的情况。在这项工作中,利用了一个滑 模控制器,它演示了与不确定的逆点状态有关的复杂的闭环系统分析, 这可以被描述为无限模型切换的问题。尽管如此,上述输出动态方程 仍然给轮廓控制器设计任务带来一些障碍。在这种情况下,本专利提 出了一个基于原始模型公式推导简化版输出动力方程的方案,使这个 简化方程可以用于轮廓控制器设计目的。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于预滑动摩擦力模型的 超声波电机轮廓控制器,能有效的增进系统的控制效能,并进一步减 少系统对于不确定性的影响程度。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于预滑动摩擦力模型的超声波电机轮廓控制器,包括控制系 统、基座和设于基座上的超声波电机,所述超声波电机一侧输出轴与 光电编码器相连接,另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接,所述飞轮 惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接,所述光电编码器的 信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统;所述 控制系统包括一基于预滑动摩擦力模型的轮廓控制器。
进一步的,所述控制系统包括超声波电机驱动控制电路,所述超 声波电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路,所述光电 编码器的信号输出端与所述控制芯片电路的相应输入端相连接,所述 控制芯片电路的输出端与所述驱动芯片电路的相应输入端相连接,以 驱动所述驱动芯片电路,所述驱动芯片电路的驱动频率调节信号输出 端和驱动半桥电路调节信号输出端分别与所述超声波电机的相应输 入端相连接。
进一步的,所述控制系统建立于预滑动摩擦力模型的基础上,所述 预滑动摩擦力模型设计具体为:
超声波电机驱动系统的动态方程写为:
其中Ap=-B/J,BP=J/Kt>0,CP=-1/J;B为阻尼系数,J为转动>t为电流因子,Tf(v)为摩擦阻力力矩,TL为负载力矩,U(t)是>r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号;x是>表示加速度,D是超声波电机的线性摩擦系数;
已知输出即系统位移x是非线性弹簧模块xs的位移和线性模块xp的位移之和,考虑时间导数可以得到以下两个关系:
当系统受到由σ表示的预滑动摩擦力时,其输出动力学遵循牛顿 第二定律,得到原始预滑动摩擦力模型:
其中u=[u1>2]T是轮廓控制器,无论蠕变运动是继续还是停止,这>
预滑动摩擦力σ是由非线性弹簧和粘性阻尼器产生,可以表示 为:
cs表示粘滞系数;xr,σr是两个辅助状态,k1和k2是两个大于零的>
将(1)代入(3)可以把σ可以重写为:
然后,通过提取线性部分并重新排列方程(2)中的项,可以将方 程(2)中的原始预滑动摩擦力模型写为如下的预滑动摩擦力模型:
其中σn(·)是一个非线性标量函数,包含了式(4)重新排列之后的所>
进一步的,根据不同的模型条件,σn(·)有如下几种形式:
形式A:如果|σ|n/λ>xh,则:
形式B:如果|σ|n/λ≤xh,则:
通过从原始摩擦力的复杂结构中提取线性部分并将非线性项收 集到σn(·)中;
由于缺少xp, ||σn(·)||≤η(8) 其中η是一个正的常数。 进一步的,所述基于预滑动摩擦力模型的轮廓控制器实现算法具体 为: 一个多级系统的两个轴的运动方程可以写成矢量形式: 其中M,Cs和K是对角矩阵; u=[u1>2]T是控制向量;Σ=[σn1>n2]T表示扰动的向量;将位置参考矢>d,是可微分的;跟踪误差矢量的位置为ep=p-pd,则上> 使用任务坐标变换,则任务空间中的上述方程变为: 首先,假定系统的位置和速度信息是可用的;让轮廓控制器u按 照以下方式分解: u=uc+MTur(> 其中ur是专用于提供系统鲁棒性的控制器,uc是专用于系统的前> 在这种情况下,uc可以合成为如下: 然后,将方程(12)中的控制u代入方程(10),得出: 是为受到时变不确定干扰TM-1Σ的双积分器线性系统; 范数||TM-1Σ||是一个已知量,而范数有界性仍然适用于现在的情> 因此,方程(14)中的系统可以简单地看作一个线性双积分器系 统,受到不确定但有界输入扰动的表示: 其中df≡TM-1Σ, 然后,基于滑模控制方法合成ur,将等式(16)中的系统动力学> 其中εv只是 设s表示的滑动面合成为: s=εv+Γεp(18) 其中Γ是一个常数设计矩阵;在状态转换之后,方程(17)中的系 统变为: 合成控制ur为: 定义s的Lyapunov函数为V(t)=1/2sTs,令 因此可以保证滑动模式的发生,并且一旦达到滑动模式,即保持 wers=0,则等效系统变成降级系统,由下式控制: Γ矩阵设计成为一个简单的极点配置问题,并再次注意到εc是这> 结合uc和ur控件,控制器u在原始(x,y)坐标中写成: 在原始坐标中,滑动面s变为: 本发明与现有技术相比具有以下有益效果: 本发明使用基于预滑动摩擦力模型的超声波电机伺服控制系统 轮廓控制器设计,系统在具有轮廓的跟踪效果上有着显著的改善且参 数的变动、噪声、交叉耦合的干扰和摩擦力等因素几乎无法对于运动 系统效果造成影响,故基于预滑动摩擦力模型的超声波电机伺服控制 系统能有效的增进系统的动态性能,并进一步减少系统对于不确定性 的影响程度,提高了控制的准确性,可以获得较好的动态特性。此外, 该装置设计合理,结构简单、紧凑,制造成本低,具有很强的实用性 和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的控制电路原理图。
图中,1-光电编码器,2-光电编码器固定支架,3-超声波电机输 出轴,4-超声波电机,5-超声波电机固定支架,6-超声波电机输出轴, 7-飞轮惯性负载,8-飞轮惯性负载输出轴,9-弹性联轴器,10-力矩 传感器,11-力矩传感器固定支架,12-基座,13-控制芯片电路,14- 驱动芯片电路,15、16、17-光电编码器输出的A、B、Z相信号,18、 19、20、21-驱动芯片电路产生的驱动频率调节信号,22-驱动芯片电 路产生的驱动半桥电路调节信号,23、24、25、26、27、28-控制芯 片电路产生的驱动芯片电路的信号,29-超声波电机驱动控制电路。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1,本发明提供一种基于预滑动摩擦力模型的超声 波电机轮廓控制器,包括基座12和设于基座12上的超声波电机4, 所述超声波电机4一侧输出轴3与光电编码器1相连接,另一侧输出 轴6与飞轮惯性负载7相连接,所述飞轮惯性负载7的输出轴8经弹 性联轴器9与力矩传感器10相连接,所述光电编码器1的信号输出 端、所述力矩传感器10的信号输出端分别接至控制系统。
上述超声波电机4、光电编码器1、力矩传感器10分别经超声波 电机固定支架5、光电编码器固定支架2、力矩传感器固定支架11固 定于所述基座12上。
如图2所示,上述控制系统包括超声波电机驱动控制电路29, 所述超声波电机驱动控制电路29包括控制芯片电路13和驱动芯片电 路14,所述光电编码器1的信号输出端与所述控制芯片电路13的相 应输入端相连接,所述控制芯片电路13的输出端与所述驱动芯片电 路14的相应输入端相连接,以驱动所述驱动芯片电路14,所述驱动 芯片电路14的驱动频率调节信号输出端和驱动半桥电路调节信号输 出端分别与所述超声波电机4的相应输入端相连接。所述驱动芯片电 路14产生驱动频率调节信号和驱动半桥电路调节信号,对超声波电 机输出A、B两相PWM的频率、相位及通断进行控制。通过开通及关 断PWM波的输出来控制超声波电机的启动和停止运行;通过调节输出 的PWM波的频率及两相的相位差来调节电机的最佳运行状态。
在本发明一实施例中,所述控制系统建立于预滑动摩擦力模型的 基础上,所述预滑动摩擦力模型设计具体为:
超声波电机驱动系统的动态方程写为:
其中Ap=-B/J,BP=J/Kt>0,CP=-1/J;B为阻尼系数,J为转动>t为电流因子,Tf(v)为摩擦阻力力矩,TL为负载力矩,U(t)是>r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号;x是>表示加速度,D是超声波电机的线性摩擦系数;
已知输出即系统位移x是非线性弹簧模块xs的位移和线性模块xp的位移之和,考虑时间导数可以得到以下两个关系:
当系统受到由σ表示的预滑动摩擦力时,其输出动力学遵循牛顿 第二定律,得到原始预滑动摩擦力模型:
其中u=[u1>2]T是轮廓控制器,无论蠕变运动是继续还是停止,这>
预滑动摩擦力σ是由非线性弹簧和粘性阻尼器产生,可以表示 为:
cs表示粘滞系数;xr,σr是两个辅助状态,k1和k2是两个大于零的>
将(1)代入(3)可以把σ可以重写为:
然后,通过提取线性部分并重新排列方程(2)中的项,可以将方 程(2)中的原始预滑动摩擦力模型写为如下的预滑动摩擦力模型:
其中σn(·)是一个非线性标量函数,包含了式(4)重新排列之后的所>
进一步的,根据不同的模型条件,σn(·)有如下几种形式:
形式A:如果|σ|n/λ>xh,则:
形式B:如果|σ|n/λ≤xh,则:
通过从原始摩擦力的复杂结构中提取线性部分并将非线性项收 集到σn(·)中;
由于缺少xp, ||σn(·)||≤η(8) 其中η是一个正的常数。 在本发明一实施例中,所述基于预滑动摩擦力模型的轮廓控制器实 现算法具体为: 一个多级系统的两个轴的运动方程可以写成矢量形式: 其中M,Cs和K是对角矩阵; u=[u1>2]T是控制向量;Σ=[σn1>n2]T表示扰动的向量;将位置参考矢>d,是可微分的;跟踪误差矢量的位置为ep=p-pd,则上> 使用任务坐标变换,则任务空间中的上述方程变为: 首先,假定系统的位置和速度信息是可用的;让轮廓控制器u按 照以下方式分解: u=uc+MTur(12) 其中ur是专用于提供系统鲁棒性的控制器,uc是专用于系统的前> 在这种情况下,uc可以合成为如下: 然后,将方程(12)中的控制u代入方程(10),得出: 是为受到时变不确定干扰TM-1Σ的双积分器线性系统; 范数||TM-1Σ||是一个已知量,而范数有界性仍然适用于现在的情> 因此,方程(14)中的系统可以简单地看作一个线性双积分器系 统,受到不确定但有界输入扰动的表示: 其中df≡TM-1Σ, 然后,基于滑模控制方法合成ur,将等式(16)中的系统动力学> 其中εv只是 设s表示的滑动面合成为: s=εv+Γεp(18) 其中Γ是一个常数设计矩阵;在状态转换之后,方程(17)中的系 统变为: 合成控制ur为: 定义s的Lyapunov函数为V(t)=1/2sTs,令 因此可以保证滑动模式的发生,并且一旦达到滑动模式,即保持 wers=0,则等效系统变成降级系统,由下式控制: Γ矩阵设计成为一个简单的极点配置问题,并再次注意到εc是这> 结合uc和ur控件,控制器u在原始(x,y)坐标中写成: 在原始坐标中,滑动面s变为: 在本发明一实施例中,从实验研究来看,还有滑动摩擦的位置变 化和时间变化性质,这意味着在实际实施摩擦模型时仍然存在参数不 确定性。设参数集S={mi,k1i,k2i,βi,αi,ni,λi,csi}表示一个多级系统的两个>i是第i级系统的质量,k1i是第i级系统的一>2i是第i级系统的另外一个轴结构刚度系数,βi是第i级系统大于零的常数,αi是第i级系统表征记忆能力的大于零>i是第i级系统表征记忆能力的大于零的常数,λi是第i级>si是第i级系统的粘滞系数),>表示标称系统值。一旦参数不确定性被考虑到系统中,那么基于方程(8)中的输出动力学公式, 运动方程可以基于其标称值写成: 其中ΔM,ΔCs,ΔK和ΔΣ表示参数不确定性引起的偏差值。然后,从> 那么通过将所有这些偏差项收集到一个名为 除了干扰输入的电平不同外,这是相同的双积分器线性系统。假 设这个新的 从上面的讨论可以看出,参数不确定性的存在可以被看作只是增 加不确定性的强弱。因此,方程(11)中提出的控制器结构仍然适 用于这种情况,只有系统标称值可以用于合成uc和ur控制元件。为了> 以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所 做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
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