[发明专利]基于观测器的超声波电机伺服控制系统滞回补偿控制方法

摘要

本发明涉及一种基于观测器的超声波电机伺服控制系统滞回补偿控制方法。提供一超声波电机伺服控制系统，包括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，超声波电机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、力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统；该方法基于观测器基础，采用滞回补偿控制对系统进行控制，在消除观测器的动态误差同时也使得系统滞回最小，从而能获得更好的控制效能。本发明方法中整个控制器的系统建立在观测器的基础上，在观测器的设计上也以误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能。

主权项

一种基于观测器的超声波电机伺服控制系统滞回补偿控制方法，其特征在于：提供一超声波电机伺服控制系统，包括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，超声波电机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、力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统；该方法基于观测器基础，采用滞回补偿控制对系统进行控制，在消除观测器的动态误差同时也使得系统滞回最小，从而能获得更好的控制效能；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；该方法具体实现如下，超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：θ··r(t)=Apθ·r(t)+1BPU(t)+CP(TL+Tf(v))---(1)]]>其中，Ap＝‑B/J,BP＝J/Kt＞0,CP＝‑1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，Kt为电流因子，Tf(v)为摩擦阻力力矩，TL为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θr(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；先假设系统的参数都是已知的，外力干扰、交叉耦合干扰和摩擦力都是不存在的，则电机的标准模型为下式所示：θ··r(t)=Anθ·r(t)+BnU(t)---(2)]]>其中，An为Ap之标准值，Bn为BP之标准值；假如产生不确定项，此时控制系统的动态方程修改成：θ··r(t)=Anθ·r(t)+BnU(t)+D(t)---(3)]]>其中，Cn为CP之标准值，ΔA，ΔB、ΔC代表微小变化量，D(t)为总集不确定项，定义为：D(t)=ΔAθ·r(t)+ΔBU(t)+(Cn+ΔC)(TL+Tf(v))---(4)]]>此处将总集不确定项的边界假设为已知，如|D(t)|≤ρ，ρ为一个给定的正常数项；为了消除电机力矩‑速度特性的滞回现象造成的影响，使用基于观测器的超声波电机伺服控制系统滞回补偿控制对其进行控制；对滞回观测器输出记为并定义实际执行机构的输出y，电机的估计输出为它们的误差为e1e1=y-y^---(5)]]>滞回系统的输出为τpr，滞回观测器输出为定义e2=τpr-τ^pr---(6)]]>滞回观测器设计为：y^·=y·+L1e1---(7)]]>τ^·pr=K~av·-F^2+L2e1-Kprτ^pr---(8)]]>式(8)的定义为：K~a=Ka-K^a---(9)]]>其中，是可测量的电机速度；L1是与误差的修正系数，L2是e1的修正系数，Ka是的修正系数，为Ka的观测值，为Ka的观测值误差；Kpr是的修正系数；为控制器实际输出；滞回观测器的误差动态是基于以下模型：e·1=-L1e1---(10)]]>e·2=K~av·-F~2-L1e1+Kprτ^pr---(11)]]>其中，是控制器输出的估计误差；通过滞回观测器的输出可知控制信号τpd和的误差为τ~pe=τpd-τ^pr---(12)]]>信号的微分为τ~·pe=τ·pd-K^av·+F^2-L2e1+Kprτ^pr---(13)]]>滞回补偿器设计为：v·=μ^[kbτ~e+τ·pd+F^2+rp]---(14)]]>由控制器输出和补偿器输出误差的导数得到：τ~·pe=(1-K^aμ^)τpd-K^aμ^kbτ~pe+(1-K^aμ^)F^2-K^aμ^rp-L2e1+Kprτ^pr---(15)]]>此外,补偿器的更新规则μ和参数被设计成按照相同的投影算符进行运算：μ^·=proj(μ^,η·τ~pe[τ·pd+F^2+rp])---(16)]]>投影算符proj的定义为：式中,Yd为给定的跟踪信号，rp为给定的跟踪信号与输出信号之间误差的一阶滤波值，β为滤波系数；更新参数的规则如下K^·a=proj(K^a,γμ^·τ~pe[τ·pd+F^2+rp]+v··τ~pe)---(18)]]>γ为系统定义的参数；因此，自适应控制器和控制参数的更新规则为：τpd=kpdrp+YdTθ^p---(19)]]>θ·^p=projθ^p(θ^p,βYdrp)---(20)]]>通过上述过程，即可获得基于观测器的超声波电机伺服控制器来控制电机转子的旋转角度。