超声波电机伺服控制系统速度死区补偿控制装置及方法

摘要

本发明涉及一种超声波电机伺服控制系统速度死区补偿控制装置及方法，该装置包括控制系统、基座和设于基座上的超声波电机。超声波电机一侧输出轴与光电编码器连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载连接，飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器连接，光电编码器、力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统。该控制系统由死区补偿控制器和电机组成，整个控制器的系统建立在死区补偿控制器的基础上，在控制器的设计上也以辨识误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能。该装置及其控制系统不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制器领域，特别是一种基于速度死区补偿的超声波电机伺服控制装置及方法。

背景技术

现有的超声波电机伺服控制系统的设计中由于速度死区的存在，使得系统的性能受到影响，对周期重复信号控制时有一定的误差。

为了改善系统的跟随性能，我们设计了基于速度死区补偿的超声波电机伺服控制系统。从速度跟随的实作结果中，我们发现系统在速度关系基本是线性，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速度输出造成影响，故基于速度死区补偿的超声波电机伺服控制系统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，因此电机的力矩与速度控制可以获得较好的动态特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于速度死区补偿的超声波电机伺服控制系统，该装置及其控制系统不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种超声波电机伺服控制系统速度死区补偿控制装置，包括控制系统、基座及设置于所述基座上的超声波电机，其特征在于：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一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、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速度死区补偿控制器。

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；所述速度死区补偿控制器设于所述控制芯片电路中。

本发明还提供一种超声波电机伺服控制系统速度死区补偿控制方法，其特征在于：控制系统中输入信号先经过死区逆算子得到结果，然后输入死区进行控制；具体包括以下步骤：步骤S1：超声波电机驱动系统的动态方程描述为：其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量,J>0，K_t为电流因子(K_t>0)，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；

步骤S2：假设速度死区是对称，不对称的死区由此类比得到，死区的数学模型为：其中v(t)为输入信号，Ω[v](t)为系统的输出信号，g_i为每个死区算子J_di[v](t)的权重系数；

死区算子J_di[v](t)为：

以上的死区算子为对称型算子，每个死区范围为[-d_i,d_i]，g_i、d_i为系统待辨识的初始参数，初始参数由系统先由给定输入控制信号得到的输出计算得到初步结果，再经过辨识修正参数：其中Ω(v,g)为死区的数学模型计算得到结果，Y(v,g)为实际测量结果，

死区逆算子为：其中对于v(t)≥0情况，计算如下：j＝0,1,K n，n、K均为自然数；j＝1,2,K n；对于v(t)<0情况，计算如下：

${\hat{d}}_j=\underset{i=j}{\overset{0}{\Sigma }}{g}_i(d_j-d_i),j=-n,n-1,K0,$

${\hat{g}}_j=\frac{g_i}{(g_0+\underset{i=j}{\overset{-1}{\Sigma }}{g}_i)(g_0+\underset{i=j+1}{\overset{-1}{\Sigma }}{g}_i)},j=-n,n-1,K-1.$

与现有技术相比，本发明的有益效果为：使用死区补偿控制的超声波电机伺服控制器，系统在力矩速度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，故基于死区补偿控制的超声波电机伺服控制系统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，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

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。

本发明超声波电机控制系统，如图1所示，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。所述控制系统包括一速度死区补偿控制器。

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。

本发明还提出一种基于上述死区补偿的超声波电机伺服控制装置的方法，由基于死区补偿的超声波电机伺服控制系统和电机来估测未知的死区特性动态函数。如上所述，在本实施例中，所述控制系统的硬件电路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，所述基于死区补偿的超声波电机伺服控制器设于所述控制芯片电路中。

本发明的控制方法的整个控制器的系统建立在死区补偿的基础上，在补偿器的设计上也以观测误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能。

超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：

$\stackrel{··}{\theta }\left(t\right)=A_p{\stackrel{·}{\theta }}_r\left(t\right)+\frac{1}{B_P}U\left(t\right)+C_P(T_L+T_f(v\left)\right)---\left(1\right)$

其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t>0,C_P＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号。

由于电机的速度在控制是存在死区，使其输入输出关系为非线性，为了消除电机速度死区造成的影响，我们使用速度死区补偿控制。

假设速度死区是对称，不对称的死区可以由此类比得到。死区的数学模型为

$\Omega \left[v\right]\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{g}_i{J}_{d_i}\left[v\right]\left(t\right)$

其中v(t)为输入信号，Ω[v](t)为系统的输出信号，g_i为每个死区算子J_di[v](t)的权重系数。

死区算子为

以上的死区算子为对称型算子，每个死区范围为[-d_i,d_i]。g_i、d_i为系统待辨识的初始参数。初始参数由系统先由给定输入控制信号得到的输出计算得到初步结果，再经过辨识修正参数,辨识公式为

$\Theta \left(X\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(\Omega \right(v,g)-Y(v,g\left)\right)}^2$

其中Ω(v,g)为死区的数学模型计算得到结果，Y(v,g)为实际测量结果。

死区逆算子为

${\Omega }^{-1}\left[v\right]\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{\hat{g}}_i{J}_{\hat{d}i}\left[v\right]\left(t\right)$

其中对于v(t)≥0情况，计算如下：

j＝0,1,K n,n、K均为自然数；

${\hat{g}}_0=\frac{1}{g_0},$

${\hat{g}}_j=\frac{g_i}{(g_0+\underset{i=1}{\overset{j}{\Sigma }}{g}_i)(g_0+\underset{i=1}{\overset{j-1}{\Sigma }}{g}_i)},j=1,2,Kn$

对于v(t)<0情况，计算如下：

${\hat{d}}_j=\underset{i=j}{\overset{0}{\Sigma }}{g}_i(d_j-d_i),j=-n,n-1,K0$

${\hat{g}}_j=\frac{g_i}{(g_0+\underset{i=j}{\overset{-1}{\Sigma }}{g}_i)(g_0+\underset{i=j+1}{\overset{-1}{\Sigma }}{g}_i)},j=-n,n-1,K-1$

系统中输入信号先经过死区逆算子得到结果，然后输入死区进行控制，这样可以在一定程度上消除死区对伺服系统带来的影响。我们使用速度死区补偿控制使得系统输入信号与输出速度的特性接近线性关系。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。