[发明专利]一种基于预测模型的旋转伺服电机轨迹预补偿方法及装置

说明书

一种基于预测模型的旋转伺服电机轨迹预补偿方法及装置，属于旋转电机运动控制技术领域。该方法利用预测模型及扰动观测对旋转电机的闭环轨迹跟踪控制效果进行预测，并据此设计轨迹预补偿的环节，以修正位置误差来实现良好的轨迹跟踪控制性能。所述轨迹预补偿方法包括含有广义扰动观测的线性预测模型、基于预测模型的轨迹预补偿环节两个部分。本发明根据已知模型信息对旋转电机闭环控制系统未来时刻的轨迹跟踪控制状态进行有效预测，利用预测信息确定最优轨迹预补偿量，能够在不改变闭环控制器结构的前提下实现轨迹跟踪性能的提升。

技术领域

本发明涉及伺服电机运动控制方法，具体涉及一种基于预测模型的旋转电机轨迹预补偿方法及装置。

背景技术

旋转伺服电机将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，相比于传统电机具有响应速度快，跟踪/定位精度高，易于精确控制等优势。然而在旋转伺服电机轨迹跟踪运动控制过程中不可避免地面临跟踪运动控制器刚度不足所导致的跟踪控制滞后，以及外部扰动所带来的轨迹跟踪控制误差等一系列问题。现有的商业化伺服跟踪控制器和控制器均进行了较为封闭的底层控制算法封装，以保证基本的闭环控制稳定性及运动控制精度。在这种情况下，用户难以根据实际运动控制场景的具体需求对底层运动控制算法进行修正及优化，因此也无法通过改变运动控制器结构和控制参数的方式实现伺服电机运动控制精度的进一步提升。

不同于底层控制算法的封闭性，集成度较高的控制器对底层控制器结构和参数无法进行修改，无法满足两轴协同控制的需求。不过伺服控制系统基本上都会为用户在位置输入指令处留有相应的接口，以满足客户为电机输入期望指令的需求。理论上，对于闭环线性系统而言，能够通过轨迹预补偿的方式，在不改变闭环控制器结构和参数的情况下实现轨迹跟踪精度的提升。换而言之，客户只需要对原有的期望输入轨迹进行适当的修改和补偿，就能够使得具有跟踪滞后的电机运动系统的实际输出更接近于原有的期望输入，从而间接实现轨迹跟踪控制精度的提升。

然而，截至目前，暂未有较好的解决方案。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于预测模型的旋转伺服电机轨迹预补偿方法，通过闭环运动控制系统的预测模型及对扰动的补偿给出一种合适的轨迹补偿量的确定方式，以解决上述所提出的问题，使其具有较强抗干扰能力和良好的轨迹跟踪精度。本发明设计的基于预测模型的旋转伺服电机轨迹预补偿方法的主体思想是：在旋转电机闭环伺服运动控制系统能够实现基本稳定的闭环轨迹跟踪控制的基础上，通过闭环系统的辨识的方式确定系统输出状态线性预测模型；然后再根据当前时刻(即k时刻)由编码器测量得到的输出的真实值和由预测模型在前一时刻预测的当前时刻输出值之间的偏差确定广义上的扰动估计值的迭代公式；然后再利用扰动的估计值确定在扰动影响下的未来N_p时刻(即k+N_p时刻)的状态预测；最后利用多次迭代的方式确定未来N_c时刻(即k+N_c时刻)的轨迹补偿量的大小。将该补偿量置于寄存器中，经过N_c时刻之后，将该补偿量和原有的期望轨迹输入相叠加，把叠加后的结果作为系统的期望输入指令输入到闭环伺服运动控制系统中，实现轨迹预补偿。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于预测模型的旋转伺服电机轨迹预补偿方法，所述方法包括如下步骤：

根据系统辨识建立旋转电机闭环传递函数，并利用所述传递函数根据k-2至k时刻实际位置输出和期望位置输入，以及k时刻的扰动量预测值建立对于k+1时刻的实际位置输出的预测模型，

其中，所述k时刻的扰动量预测值是根据k时刻的实际位置输出与所述预测模型预测的k时刻的预测位置输出之间的矢量差，以及k-1时刻的扰动量预测值来估计的，其中，0时刻的扰动量预测值为0；

利用所述预测模型在k时刻预测k+N_p时刻的预测位置输出，其中，N_p为预测域；