电动舵机死区换向替代补偿方法

摘要

电动舵机死区换向替代补偿方法属于电动舵机伺服控制技术领域，该方法是在电动舵机伺服系统控制器中加入补偿控制器，将电动舵机位置偏转误差e、舵机正常工作下的PWM值、舵机方向信号输入补偿控制器，其输出为▽m；当e＞θ0且舵机位置发生换向时，▽m＝uv0，代替速度PI控制器上一时刻的输出uv(k-1)，得出舵机速度环当前输出为uv(k)＝uv0+(kpv+kiv)ev(k)-kpvev(k-1)；当e＜-θ0且舵机位置发生换向时，▽m＝uv1，代替速度PI控制器上一时刻的输出uv(k-1)，得出舵机速度环当前输出为uv(k)＝uv1+(kpv+kiv)ev(k)-kpvev(k-1)。本发明不需要精确的补偿值▽m，经控制器几次迭代运算后便能快速启动舵机，消除死区的影响，同时也避免因频繁补偿而导致的稳态抖动问题。

说明书

技术领域

本发明属于电动舵机伺服控制技术领域，具体涉及一种电动舵机死区换向 替代补偿方法。

背景技术

电动舵机(EMA)因其体积小、成本低、易于控制等优点，在国内外飞行 器上得到较为广泛的应用。但舵机系统不可避免的存在死区(摩擦、间隙等)， 在死区不太严重且控制指标要求不严格的情况下，可以忽略。但是，在做高精 度、高带宽的位置跟踪时，忽略死区效应将产生严重的“平顶”问题，严重影 响舵机系统的跟踪精度及带宽，甚至造成飞行器的航迹抖动，破坏飞行器的稳 定性。因此，针对死区的补偿和控制方法必不可少。

目前，不少学者采用变结构控制、神经网络控制、粒子算法等先进控制理 论取得较好的成果，较好的解决了舵机死区带来的“平顶”问题。但其缺点是： 算法较为复杂、运算周期较长，不易工程化实现，对微处理芯片要求较高；传 统的补偿控制器对补偿量的精度要求较高，导致工程化后补偿效果大大降低； 克服死区问题的同时又引入了新的问题。

发明内容

为了解决现有技术对存在死区的舵机位置跟踪系统，做小角度位置正弦跟 踪时，舵机系统存在较大的“平顶”问题，造成较大的位置跟踪误差，进而引 发飞行器航迹剧烈抖动的技术问题，本发明提供了一种简单可靠、易于工程化 实现、提高控制精度及速度的电动舵机死区换向替代补偿方法。该方法在伺服 系统控制器中加入死区换向替代补偿控制器，有效的改善位置跟踪“平顶”问 题，提高跟踪精度；由于补偿方式、补偿位置及补偿精度，将直接影响“平顶” 削弱效果和舵机系统的其他性能指标，在设计死区换向补偿控制算法时，结合 舵机旋转方向及偏转误差，在速度环采用换向替代补偿的方式。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

电动舵机死区换向替代补偿方法，其包括如下步骤：在电动舵机伺服系统 控制器中加入补偿控制器，将电动舵机位置偏转误差e、舵机正常工作下的PWM 值、舵机方向信号输入补偿控制器，其输出为▽m；当舵机位置偏转误差e＞θ₀(θ₀是一个大于零极小值，可根据稳态精度要求进行调整)，且舵机位置发生换向时， ▽m＝u_v0(u_v0为舵机正常运转下的正向PWM码值)，代替电动舵机伺服系统控 制器中速度PI控制器上一时刻的输出u_v(k-1)，得出舵机速度环当前输出为 u_v(k)＝u_v0+(k_pv+k_iv)e_v(k)-k_pve_v(k-1)；当舵机位置偏转误差e＜-θ₀，且舵机位置发生 换向时，▽m＝u_v1(u_v1为舵机正常运转下的负向PWM码值)，代替速度PI控制 器上一时刻的输出u_v(k-1)，得出舵机速度环当前输出为 u_v(k)＝u_v1+(k_pv+k_iv)e_v(k)-k_pve_v(k-1)；在|e|≤|θ₀|或者舵机位置未发生换向时，补偿控 制器输出▽m为速度PI控制器上一时刻的输出u_v(k-1)。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过对舵机死区进行补偿，有效地改善了小角度位置正弦跟踪存 在的“平顶”现象，解决了因“平顶”问题而引发的飞行器指令高频颤抖问题。

2、本发明采用换向替代补偿的方式，每次换向仅做一次补偿，有效地避免 了传统补偿算法因控制器的频繁补偿而影响舵机系统其他性能指标的问题。

3、本发明采用的替换补偿方法对补偿量的精度要求低，可以直接使用舵机 正常运行时PWM值作为补偿值，算法简单、可靠、工程量小，且易于工程化实 现，具有较广的适用范围。

附图说明

图1是本发明的电动舵机系统结构框图。

图2是本发明的舵机伺服系统控制器工作原理图。

图3是本发明的舵机伺服系统控制器计算流程图。

图4是本发明的换向替代补偿控制器流程图。

图5是引入舵机死区换向替代补偿控制器前后0.1°、4Hz小角度正弦跟踪 的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的电动舵机系统包括舵机伺服系统控制器、PWM功率 模块、无刷直流电机、减速器、速度传感器和位置传感器；舵机伺服系统控制 器接收舵机偏转指令，同时通过速度传感器和位置传感器实时采集舵机的速度 和位置信号，并经舵机伺服系统控制器的处理后，输出PWM码值至PWM功率 模块，驱动无刷直流电机，进而带动舵面偏转，实现舵机系统的高精度位置跟 踪。

如图1和图2所示，本发明的舵机伺服系统控制器主要包括位置环控制器、 速度环控制器和补偿控制器三部分；位置环为外环，采用PI控制器，输入量为 舵机偏转指令、位置反馈信号，输出量为速度环的速度指令；速度环为内环， 采用PI控制器，输入量为速度指令、速度反馈信号、补偿控制器的补偿值，输 出量为PWM码值，通过脉宽调制实现速度大小及方向的控制；补偿控制器的输 入量为当前舵机位置偏转误差、舵机正常工作下的PWM码值、舵机旋转方向， 补偿控制器的输出量为▽m，用于替代速度环控制器上一时刻的输出PWM(k-1)。 舵机伺服系统控制器的工作过程，当位置环控制器接收到舵机偏转指令θ和舵偏 角反馈值θ'后，输出速度偏转指令v，同时向补偿控制器输出位置跟踪误差e； 补偿控制器接收舵机位置偏转误差e，同时根据电动舵机的旋转方向及其正常工 作下的PWM值，输出粗略的补偿值▽m，来替代PWM(k-1)；速度环控制器根据 接收到的速度指令v、速度反馈v'和补偿值▽m，计算出新的PWM(k)值。此方法 不需要精确的补偿值▽m，经控制器几次迭代运算后便能快速启动舵机，消除死 区的影响，同时也避免因频繁补偿而导致的稳态抖动问题。

如图3所示，其为本发明的舵机伺服系统控制器计算流程。舵机位置换向 时，由于离散控制器的迭代计算和静摩擦等作用，致使舵机速度换向在时间上 滞后于舵机换向，同时在静摩擦作用范围内出现位置“平顶”现象，严重影响跟踪 精度。

位置环PI离散控制器如下：

$\left(\begin{array}{c}▿u_p\left(k\right)=k_p[e_p\left(k\right)-e_p(k-1)]+k_i{e}_p\left(k\right)\\ u_p\left(k\right)=u_p(k-1)+▿u_p\left(k\right)\\ e_p\left(k\right)=\theta \left(k\right)-{\theta }^{\prime }\left(k\right)\\ e_p(k-1)=\theta (k-1)-{\theta }^{\prime }(k-1)\end{array}\right)$

其中，k_p、k_i为位置环PI控制器参数，可根据系统性能指标求得。θ(k)为当 前位置指令，θ'(k)为当前位置反馈，e_p(k)为当前位置偏转误差，e_p(k-1)为上一 时刻位置偏转误差，u_p(k)为当前时刻位置PI控制器输出。

将舵机偏转指令θ(k)及舵机位置反馈θ'(k)输入位置环控制器，经位置环控制 器运算输出速度指令u_p(k)至速度环控制器。

速度环PI离散控制器如下：

$\left(\begin{array}{c}▿u_v\left(k\right)=(k_{pv}+k_{iv})e_v\left(k\right)-k_{pv}{e}_v(k-1)\\ u_v\left(k\right)=u_v(k-1)+▿u_v\left(k\right)\\ e_v\left(k\right)=u_p\left(k\right)-v^{\prime }\left(k\right)\\ e_v(k-1)=u_p(k-1)-v^{\prime }(k-1)\end{array}\right)$

其中，k_pv、k_iv为速度环PI控制器参数，可根据系统性能指标求得。u_p(k)为 当前速度指令，v'(k)为当前速度反馈，e_v(k)为当前速度误差，e_v(k-1)为上一时刻 速度误差，u_v(k)为当前时刻位置PI控制器输出，u_v(k-1)为上一时刻位置PI控 制器输出。

速度PI控制器接收速度指令u_p(k)、速度反馈值v'(k)、补偿控制器的补偿值， 通过速度PI控制器计算输出PWM，实现脉宽调制。因速度、位置离散控制器 迭代项u_v(k-1)和u_p(k-1)的影响，位置换向即e_p(k)方向发生变化时，u_v(k)符号方 向不能及时发生改变，存在较大的延迟，导致位置发生换向时速度环不能及时 换向，同时由于静摩擦影响，使得系统速度环存在死区，为此加入死区补偿控 制器。

图4为本发明所设计的换向替代补偿控制器流程图。将电动舵机位置偏转误 差e、控制器输出的PWM值、舵机方向信号输入舵机死区补偿控制器，其输出 为▽m。当舵机位置偏转误差e＞θ₀(θ₀为一个大于零的极小值，可根据稳态精 度的要求进行调整)，且舵机位置发生换向时，▽m＝u_v0(u_v0为舵机正常运转下 的正向PWM码值)，代替速度PI控制器上一时刻的输出u_v(k-1)，即得出舵机速 度环当前输出为u_v(k)＝u_v0+(k_pv+k_iv)e_v(k)-k_pve_v(k-1)；当舵机位置偏转误差e＜-θ₀， 且舵机位置发生换向时，▽m＝u_v1(u_v1为舵机正常运转下的负向PWM码值)，代 替速度PI控制器上一时刻的输出u_v(k-1)，即得出舵机速度环当前输出为 u_v(k)＝u_v1+(k_pv+k_iv)e_v(k)-k_pve_v(k-1)；在舵机位置跟踪误差较小及舵机位置未发生 换向情况下，死区换向替代补偿控制器则不起作用。这样，既可以有效补偿舵 机死区消除位置跟踪“平顶”问题，又可以避免因频繁补偿控制参数而引发控 制的不连续性。

图5为引入舵机死区替换补偿控制器前后，电动舵机做0.1°、4Hz小角度正 弦位置跟踪对比图。可以看出，引入替换补偿控制器之前，由于控制器迭代的 延迟、静摩擦等因素影响，做小角度正弦跟踪时，存在50ms的速度死区，位置 出现较严重“平顶”现象，平顶时间约为62ms，跟踪误差为0.12°；引入替换补 偿控制器之后，速度死区为8ms，位置平顶时间为18ms，跟踪误差为0.05°，跟 踪精度及响应速度得到较大的提高。本发明的电动舵机死区换向替代补偿方法， 在克服舵机死区影响的同时不影响其他指标，并且不需要精确的补偿量、算法 简单易于工程实现。