一種摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制方法與流程
2023-05-08 01:07:41
本發明涉及電機控制領域，特別是一種摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制方法。
背景技術：
現有的超聲波電機伺服控制系統的設計中由於摩擦力參數不確定，使得摩擦力對系統的性能造成一定的影響，而且力矩-速度滯回的存在，使得周期重複信號控制時有一定的誤差。為了改善跟隨的控制效果，本發明設計了摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制。從摩擦力控制跟隨的結果中，我們發現在反步控制下摩擦力等因素幾乎無法對於力矩輸出造成影響，故摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制能有效的增進系統的控制效能，並進一步減少系統對於不確定性的影響程度，因此電機的速度控制可以獲得較好的動態特性。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的是提出一種摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制方法，系統建立在摩擦力參數不確定的數學模型基礎上，在減小辨識動態誤差的同時也使得伺服系統滯回最小，從而能獲得更好的輸入輸出控制效能。
本發明採用以下方案實現：一種摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制方法，具體包括以下步驟：
步驟S1：提供超聲波電機伺服控制系統，所述系統包括基座和設於基座上的超聲波電機，所述超聲波電機一側輸出軸與光電編碼器相連接，另一側輸出軸與飛輪慣性負載相連接，所述飛輪慣性負載的輸出軸經聯軸器與力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號輸出端、所述力矩傳感器的信號輸出端分別接至控制系統，所述控制系統與超聲波電機的輸入端相連；
步驟S2：所述控制系統中建立在摩擦力參數不確定的數學模型基礎上，在減小辨識動態誤差的同時也使得伺服系統滯回最小，具體採用如下控制定律：
其中，M表示受控壓電定位機構的等效質量，表示M的估計值，u是待輸入的控制量、是中間過程的控制量、α1是虛擬控制律、是不確定參數，D是壓電定位機構的線性摩擦係數，為不確定參數，是θ估計值的微分、表示M估計值的微分、是FO的估計，FO是外部負載FL的未知界限，是FO估計值的微分；表示轉子位移與給定值的誤差、表示轉子位移減去給定值微分與α1後的誤差，其中c1，c2，γθ，γM和γF為設計的正參數，x1＝x，x表示電機轉子的位移，表示電機轉子的加速度，xm表示預先設定的運動軌跡。
進一步地，所述控制系統包括超聲波電機驅動控制電路，所述超聲波電機驅動控制電路包括控制晶片電路和驅動晶片電路，所述光電編碼器的信號輸出端與所述控制晶片電路的相應輸入端相連接，所述控制晶片電路的輸出端與所述驅動晶片電路的相應輸入端相連接，以驅動所述驅動晶片電路，所述驅動晶片電路的驅動頻率調節信號輸出端和驅動半橋電路調節信號輸出端分別與所述超聲波電機的相應輸入端相連接。
進一步地，所述步驟S2還包括：
瞬態位移跟蹤誤差性能由下式給出：
瞬態速度跟蹤誤差性能由下式給出：
其中，分別表示初始狀態下θ(0)、M(0)、Fo(0)估計值的大小。
與現有技術相比，本發明有以下有益效果：本發明在參數未知情況下，使用反步控制對超聲波電機進行伺服控制，系統在力矩速度跟蹤效果上有著顯著的改善，故摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制能有效的增進系統的控制效能，並進一步減少系統對於不確定性的影響程度，提高了控制的準確性，可以獲得較好的動態特性。此外，本發明設計合理，結構簡單、緊湊，製造成本低，具有很強的實用性和廣闊的應用前景。
附圖說明
圖1為本發明實施例的系統結構示意圖。
圖2為本發明實施例的電路結構示意圖。
[主要組件符號說明]
圖中：1為光電編碼器，2為光電編碼器固定支架，3為超聲波電機輸出軸，4為超聲波電機，5為超聲波電機固定支架，6為超聲波電機輸出軸，7為飛輪慣性負載，8為飛輪慣性負載輸出軸，9為彈性聯軸器，10為力矩傳感器，11為力矩傳感器固定支架，12為基座，13為控制晶片電路，14為驅動晶片電路，15、16、17分別為光電編碼器輸出的A、B、Z相信號，18、19、20、21分別為驅動晶片電路產生的驅動頻率調節信號，22為驅動晶片電路產生的驅動半橋電路調節信號，23、24、25、26、27、28分別為控制晶片電路產生的驅動晶片電路的信號，29為超聲波電機驅動控制電路。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
本發明提供了一種摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制系統滯回控制方法，包括基座12和設於基座12上的超聲波電機4，所述超聲波電機4一側輸出軸3與光電編碼器1相連接，另一側輸出軸6與飛輪慣性負載7相連接，所述飛輪慣性負載7的輸出軸8經彈性聯軸器9與力矩傳感器10相連接，所述光電編碼器1的信號輸出端、所述力矩傳感器10的信號輸出端分別接至控制系統。
在本實施例中，上述超聲波電機4、光電編碼器1、力矩傳感器10分別經超聲波電機固定支架5、光電編碼器固定支架2、力矩傳感器固定支架11固定於所述基座12上。
如圖2所示，上述控制系統包括超聲波電機驅動控制電路29，所述超聲波電機驅動控制電路29包括控制晶片電路13和驅動晶片電路14，所述光電編碼器1的信號輸出端與所述控制晶片電路13的相應輸入端相連接，所述控制晶片電路13的輸出端與所述驅動晶片電路14的相應輸入端相連接，以驅動所述驅動晶片電路14，所述驅動晶片電路14的驅動頻率調節信號輸出端和驅動半橋電路調節信號輸出端分別與所述超聲波電機4的相應輸入端相連接。所述驅動晶片電路14產生驅動頻率調節信號和驅動半橋電路調節信號，對超聲波電機輸出A、B兩相PWM的頻率、相位及通斷進行控制。通過開通及關斷PWM波的輸出來控制超聲波電機的啟動和停止運行；通過調節輸出的PWM波的頻率及兩相的相位差來調節電機的最佳運行狀態。
較佳的，本實施例由基於反步控制的超聲波電機伺服控制器和電機來估測未知的摩擦力滯回特性動態函數。如上所述，在本實施例中，所述控制系統的硬體電路包括超聲波電機驅動控制電路，所述超聲波電機驅動控制電路包括控制晶片電路和驅動晶片電路，所述摩擦力參數不確定條件下超聲波電機伺服控制器設於所述控制晶片電路中。
在本實施例中，在摩擦力參數不確定情況下，整個控制器的系統建立在反步控制的基礎上，以誤差最小為其調整函數，從而能獲得更好的控制效能。
超聲波電機驅動系統的動態方程可以寫為：
其中Ap＝-B/J,BP＝J/Kt＞0,CP＝-1/J；B為阻尼係數，J為轉動慣量，Kt為電流因子，Tf(v)為摩擦阻力力矩，TL為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θr(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號。x是電機轉子的位移，表示加速度，D是壓電定位機構的線性摩擦係數。
為了消除電機摩擦力滯回造成的影響，本實施例使用近似摩擦力模型對其進行反步控制。
滯後摩擦力FH由LuGre模型以下面的形式描述
其中z是不可測量的狀態並且表示接觸力的平均偏轉，表示兩個接觸表面之間的相對速度，σ0，σ1和σ2是正的常數，並且可以等價地解釋為硬毛剛度和粘滯阻尼係數。此外，函數表示由給出的Stribeck效應曲線。
其中fC是與速度無關的庫侖摩擦，fS是粘滯力，表示使物體從靜態模式移動的臨界力，是Stribeck速度。函數為正和有界。
假設滯後模型(3)中的參數σ0，σ1，σ2，fS，fC，都是不確定的。滯後的殘餘效應被視為具有未知界限的有界幹擾，使用更新定律來估計涉及滯後和外部負載的影響的界限。參數σ0，σ1，σ2，fC,fS，中不需要先驗信息，因此它們可以完全不確定。
由上面式子(2)(3)，滯回摩擦模型可以改寫為：
系統的控制目標是設計反步自適應規則，使得電機的位移x可以跟蹤任何期望的有界參考軌跡xm。根據前面推論，(5)中的LuGre磁滯摩擦力FH可以分為如下兩部分：
可以證明R(t)有界。然後將與組合，並重寫式(2)和(6)：
其中x1＝x，和d(t)＝R+FL，d(t)以未知的界限Fo為界。
這裡給出最後控制律：
其中，M表示受控壓電定位機構的等效質量，表示M的估計值，u是待輸入的控制量、是中間過程的控制量、α1是虛擬控制律、是不確定參數，D是壓電定位機構的線性摩擦係數，為不確定參數，是θ估計值的微分、表示M估計值的微分、是FO的估計，FO是外部負載FL的未知界限，是FO估計值的微分；表示轉子位移與給定值的誤差、表示轉子位移減去給定值微分與α1後的誤差，其中c1，c2，γθ，γM和γF為設計的正參數，x1＝x，x表示電機轉子的位移，表示電機轉子的加速度，xm表示預先設定的運動軌跡。
在本實施例中，確定u都是有界的，可以實現系統穩定性與漸近跟蹤，即
瞬態位移跟蹤誤差性能由下式給出
瞬態速度跟蹤誤差性能由下式給出
其中，分別表示初始狀態下θ(0)、M(0)、Fo(0)估計值的大小。
本實施例使用此控制可以得到在參數未知情況下近似模擬摩擦力的滯回特性，使用反步控制可以近似模擬摩擦力的滯回特性，從而控制電機的力矩速度關係。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。