本發(fā)明涉及電機(jī)控制器領(lǐng)域，特別是一種超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)不對(duì)稱滯回補(bǔ)償控制裝置及方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中由于速度死區(qū)的存在，使得系統(tǒng)的性能受到影響，對(duì)周期重復(fù)信號(hào)控制時(shí)有一定的誤差。

為了改善系統(tǒng)的跟隨性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于速度死區(qū)補(bǔ)償?shù)某暡姍C(jī)伺服控制系統(tǒng)。從速度跟隨的實(shí)作結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在速度關(guān)系基本是線性，且參數(shù)的變動(dòng)、噪聲、交叉耦合的干擾和摩擦力等因素幾乎無(wú)法對(duì)于速度輸出造成影響，故基于速度死區(qū)補(bǔ)償?shù)某暡姍C(jī)伺服控制系統(tǒng)能有效的增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對(duì)于不確定性的影響程度，因此電機(jī)的力矩與速度控制可以獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于速度死區(qū)補(bǔ)償?shù)某暡姍C(jī)伺服控制系統(tǒng)，該裝置及其控制系統(tǒng)不僅控制準(zhǔn)確度高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，使用效果好。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)不對(duì)稱滯回補(bǔ)償控制裝置，包括控制系統(tǒng)、基座和設(shè)于基座上的超聲波電機(jī)，其特征在于：所述超聲波電機(jī)一側(cè)輸出軸與光電編碼器相連接，另一側(cè)輸出軸與飛輪慣性負(fù)載相連接，所述飛輪慣性負(fù)載的輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號(hào)輸出端、所述力矩傳感器的信號(hào)輸出端分別接至控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)包括一不對(duì)稱補(bǔ)償控制器。

進(jìn)一步的，所述控制系統(tǒng)包括超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，所述超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動(dòng)芯片電路，所述光電編碼器的信號(hào)輸出端與所述控制芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制芯片電路的輸出端與所述驅(qū)動(dòng)芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)芯片電路，所述驅(qū)動(dòng)芯片電路的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端分別與所述超聲波電機(jī)的相應(yīng)輸入端相連接；所述不對(duì)稱補(bǔ)償控制器設(shè)置于控制芯片電路中。

進(jìn)一步的，所述聯(lián)軸器為一彈性聯(lián)軸器。

本發(fā)明還提供一種超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)不對(duì)稱滯回補(bǔ)償控制方法，其特征在于，包括以下步驟：建立一不對(duì)稱滯回?cái)?shù)學(xué)模型，在不對(duì)稱滯回?cái)?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)進(jìn)行不對(duì)稱補(bǔ)償控制，從而使得系統(tǒng)力矩速度的特性接近線性關(guān)系，通過(guò)在減小辨識(shí)動(dòng)態(tài)誤差的同時(shí)也使得伺服系統(tǒng)滯回最小，具體包括以下步驟：步驟S1：超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程可以寫為：其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t>0,C_P＝-1/J；B為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負(fù)載力矩，U(t)是電機(jī)的輸出力矩，θ_r(t)為通過(guò)光電編碼器測(cè)量得到的位置信號(hào)；步驟S2:建立一不對(duì)稱滯回模型；步驟S3：輸入信號(hào)v(t)先經(jīng)過(guò)逆不對(duì)稱系統(tǒng)，其輸出作為控制信號(hào)進(jìn)入不對(duì)稱系統(tǒng)，使用不對(duì)稱補(bǔ)償控制使得系統(tǒng)力矩速度的特性接近線性關(guān)系。

進(jìn)一步的，步驟S2具體包括以下步驟：步驟S21：所述不對(duì)稱滯回模型結(jié)合了函數(shù)S_r和密度函數(shù)p(r)描述遲滯的非線性，v(t)為輸入信號(hào)，Φ[v](t)為不對(duì)稱滯回系統(tǒng)的輸出信號(hào)，r為系統(tǒng)待辨識(shí)的初始參數(shù)，所述不對(duì)稱滯回模型為：

p(r)為密度函數(shù)，S_r[v](t)為函數(shù)，其定義如下：

S_r[v](t)＝s(v(t),S_r[v](t_i))，

對(duì)于t_i<t<t_i+1且0≤i≤N-1，

s(v,z)＝max(v_l-r,min(v_r(v)+r,z))

不對(duì)稱滯回模型的輸出表示為：

步驟S22：當(dāng)輸入單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減時(shí)，不對(duì)稱滯回模型的輸出分別表示為∏⁺[v](t)和∏^-[v](t)：

當(dāng)輸入單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減時(shí)，F(xiàn)_r[v](t)的輸出表示為：

因此，式(2.45)表示為：

然后，得到式(2.45)為：

式(2.52)進(jìn)一步的表示為：

因?yàn)榘j(luò)函數(shù)γ_l和γ_r是可逆的，因此式(2.53)表示為：

得到不對(duì)稱滯回模型的輸出表示為：

不對(duì)稱滯回模型的輸出∏^-[v](t)表示為：

然后，將密度函數(shù)和F_r[v](t)代入逆不對(duì)稱滯回模型的輸出方程，得到方程為：

逆不對(duì)稱滯回模型由初始加載曲線得到：

修改后的初始加載曲線不對(duì)稱滯回模型表示為：

不對(duì)稱滯回模型的密度函數(shù)表示為：

不對(duì)稱滯回模型表示為：

上述公式表明，不對(duì)稱滯回模型由初始加載曲線表示，逆不對(duì)稱滯回模型表示為：

其中是逆模型的閾值而表示的是改進(jìn)的逆初始載荷曲線；

步驟S23：不對(duì)稱滯回模型表示為：

該模型(2.63)的逆表示為：

所以，逆不對(duì)稱滯回模型表示為：

為了得到逆模型的參數(shù)，用下面方程：

當(dāng)j＝1,2,Kn且r₀＝0時(shí)，F(xiàn)[v]等于信號(hào)的輸入v：

F_r＝0[v]＝v (2.67)

當(dāng)j＝0，不對(duì)稱滯回模型的輸出為：

∏[v](t)＝p(0)v (2.68)

因此，當(dāng)r₀＝0時(shí)，逆不對(duì)稱滯回模型表示為：

∏^-1[v](t)＝(p(0))^-1v (2.69)

改變閾值r，初始加載曲線表示為：

當(dāng)且僅當(dāng)p₀＝p(0)時(shí)；

以類似的方式改變初始加載曲線的閾值r，得：

當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)；

逆的閾值是正的，并且與正的閾值相關(guān)；

式(2.66)的導(dǎo)數(shù)關(guān)于閾值表示為：

逆密度函數(shù)的權(quán)重用不對(duì)稱模型表示為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：使用不對(duì)稱補(bǔ)償控制的超聲波電機(jī)伺服控制器，系統(tǒng)在力矩速度跟蹤效果上有著顯著的改善且參數(shù)的變動(dòng)、噪聲、交叉耦合的干擾和摩擦力等因素幾乎無(wú)法對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)效果造成影響，故基于不對(duì)稱補(bǔ)償控制的超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)能有效的增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對(duì)于不確定性的影響程度，提高了控制的準(zhǔn)確性，可以獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。此外，該裝置設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，制造成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的控制電路原理圖。

圖中，1-光電編碼器，2-光電編碼器固定支架，3-超聲波電機(jī)輸出軸，4-超聲波電機(jī)，5-超聲波電機(jī)固定支架，6-超聲波電機(jī)輸出軸，7-飛輪慣性負(fù)載，8-飛輪慣性負(fù)載輸出軸，9-彈性聯(lián)軸器，10-力矩傳感器，11-力矩傳感器固定支架，12-基座，13-控制芯片電路，14-驅(qū)動(dòng)芯片電路，15、16、17-光電編碼器輸出的A、B、Z相信號(hào)，18、19、20、21-驅(qū)動(dòng)芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)，22-驅(qū)動(dòng)芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)，23、24、25、26、27、28-控制芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)芯片電路的信號(hào)，29-超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋。

本發(fā)明提供一種超聲波電機(jī)伺服控制系統(tǒng)不對(duì)稱滯回補(bǔ)償控制裝置，如圖1所示，包括基座12和設(shè)于基座12上的超聲波電機(jī)4，所述超聲波電機(jī)4一側(cè)輸出軸3與光電編碼器1相連接，另一側(cè)輸出軸6與飛輪慣性負(fù)載7相連接，所述飛輪慣性負(fù)載7的輸出軸8經(jīng)彈性聯(lián)軸器9與力矩傳感器10相連接，所述光電編碼器1的信號(hào)輸出端、所述力矩傳感器10的信號(hào)輸出端分別接至控制系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括一不對(duì)稱補(bǔ)償控制器。

上述超聲波電機(jī)4、光電編碼器1、力矩傳感器10分別經(jīng)超聲波電機(jī)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固定于所述基座12上。

如圖2所示，上述控制系統(tǒng)包括超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路29，所述超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路29包括控制芯片電路13和驅(qū)動(dòng)芯片電路14，所述光電編碼器1的信號(hào)輸出端與所述控制芯片電路13的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制芯片電路13的輸出端與所述驅(qū)動(dòng)芯片電路14的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)芯片電路14，所述驅(qū)動(dòng)芯片電路14的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端分別與所述超聲波電機(jī)4的相應(yīng)輸入端相連接。所述驅(qū)動(dòng)芯片電路14產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)，對(duì)超聲波電機(jī)輸出A、B兩相PWM的頻率、相位及通斷進(jìn)行控制。通過(guò)開通及關(guān)斷PWM波的輸出來(lái)控制超聲波電機(jī)的啟動(dòng)和停止運(yùn)行；通過(guò)調(diào)節(jié)輸出的PWM波的頻率及兩相的相位差來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。所述不對(duì)稱補(bǔ)償控制器(圖中未畫出)設(shè)置于控制芯片電路中。

本發(fā)明還提供一種基于不對(duì)稱補(bǔ)償控制的超聲波電機(jī)伺服控制方法，由基于不對(duì)稱補(bǔ)償控制的超聲波電機(jī)伺服控制器和電機(jī)來(lái)估測(cè)未知的滯回特性動(dòng)態(tài)函數(shù)。

本發(fā)明通過(guò)建立一不對(duì)稱滯回?cái)?shù)學(xué)模型，在不對(duì)稱滯回?cái)?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)進(jìn)行不對(duì)稱補(bǔ)償控制，從而使得系統(tǒng)力矩速度的特性接近線性關(guān)系，通過(guò)在減小辨識(shí)動(dòng)態(tài)誤差的同時(shí)也使得伺服系統(tǒng)滯回最小，具體包括以下步驟：步驟S1：超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程可以寫為：其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t>0,C_P＝-1/J；B為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負(fù)載力矩，U(t)是電機(jī)的輸出力矩，θ_r(t)為通過(guò)光電編碼器測(cè)量得到的位置信號(hào)；步驟S2:建立一不對(duì)稱滯回模型；步驟S3：輸入信號(hào)v(t)先經(jīng)過(guò)逆不對(duì)稱滯回系統(tǒng)，其輸出作為控制信號(hào)進(jìn)入不對(duì)稱滯回系統(tǒng)，使用不對(duì)稱補(bǔ)償控制使得系統(tǒng)力矩速度的特性接近線性關(guān)系。

當(dāng)電機(jī)的負(fù)載力矩較大時(shí)，電機(jī)力矩-速度特性的滯回不對(duì)稱，為了減少此現(xiàn)象造成的影響，我們使用不對(duì)稱滯回補(bǔ)償控制對(duì)其進(jìn)行控制。

不對(duì)稱滯回模型的建模包括以下步驟：

不對(duì)稱滯回模型結(jié)合了函數(shù)S_r和密度函數(shù)p(r)描述遲滯的非線性，v(t)為輸入信號(hào)，Φ[v](t)為不對(duì)稱滯回系統(tǒng)的輸出信號(hào)，r為系統(tǒng)待辨識(shí)的初始參數(shù)。它表示為：

p(r)為密度函數(shù)。S_r[v](t)為函數(shù)，其定義如下：

S_r[v](t)＝s(v(t),S_r[v](t_i))，

對(duì)于t_i<t<t_i+1且0≤i≤N-1，

s(v,z)＝max(v_l-r,min(v_r(v)+r,z))

不對(duì)稱滯回模型的輸出可以表示為：

當(dāng)輸入單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減時(shí)，不對(duì)稱滯回模型的輸出分別可以表示為∏⁺[v](t)和∏^-[v](t)：

當(dāng)輸入單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減時(shí)，F(xiàn)_r[v](t)的輸出可表示為：

因此，式(2.45)可以表示為：

然后，可以得到式(2.45)為：

式(2.52)可以進(jìn)一步的表示為：

因?yàn)榘j(luò)函數(shù)γ_l和γ_r是可逆的，因此式(2.53)可以表示為：

因此可以得到不對(duì)稱滯回模型的輸出可以表示為：

不對(duì)稱滯回模型的輸出∏^-[v](t)可以表示為：

然后，將密度函數(shù)和F_r[v](t)代入逆不對(duì)稱滯回模型的輸出方程，可得到方程為：

逆不對(duì)稱滯回模型可由初始加載曲線得到：

修改后的初始加載曲線不對(duì)稱滯回模型可以表示為：

不對(duì)稱滯回模型的密度函數(shù)可以表示為：

不對(duì)稱滯回模型可以表示為：

上述公式表明，不對(duì)稱滯回模型可以由初始加載曲線表示。逆不對(duì)稱滯回模型可以表示為：

其中是逆模型的閾值而表示的是改進(jìn)的逆初始載荷曲線。

下面討論逆不對(duì)稱滯回模型的參數(shù)閾值和密度函數(shù)的影響。不對(duì)稱滯回模型可以表示為：

該模型(2.63)的逆可以表示為：

所以，逆不對(duì)稱滯回模型可以表示為：

為了得到逆模型的參數(shù)，可以用下面方程：

當(dāng)j＝1,2,Kn且r₀＝0時(shí)，F(xiàn)[v]等于信號(hào)的輸入v：

F_r＝0[v]＝v (2.67)

當(dāng)j＝0，不對(duì)稱滯回模型的輸出為：

∏[v](t)＝p(0)v (2.68)

因此，當(dāng)r₀＝0時(shí)，逆不對(duì)稱滯回模型可以表示為：

∏^-1[v](t)＝(p(0))^-1v (2.69)

改變閾值r，初始加載曲線可以表示為：

當(dāng)且僅當(dāng)p₀＝p(0)時(shí)；

以類似的方式改變初始加載曲線的閾值r，可得：

當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)；

逆的閾值是正的，并且與正的閾值相關(guān)。

式(2.66)的導(dǎo)數(shù)關(guān)于閾值可以表示為：

那么可以得出結(jié)論，逆密度函數(shù)的權(quán)重可以用不對(duì)稱滯回模型可以表示為：

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，輸入信號(hào)v(t)先經(jīng)過(guò)逆不對(duì)稱滯回系統(tǒng)，其輸出作為控制信號(hào)進(jìn)入不對(duì)稱滯回系統(tǒng)。由穩(wěn)定性理論可以證明，上述系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。