本發(fā)明涉及電機控制器領(lǐng)域，特別是一種基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)壓電電機伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計中有對于輸出信號的檢測誤差，這可能會導(dǎo)致控制變量的估計誤差。為了避免這種情況，現(xiàn)在提出反饋自適應(yīng)控制方案。此控制系統(tǒng)能有效的增進系統(tǒng)的控制效能，并進一步減少系統(tǒng)對于不確定性的影響程度。因此，電機的位置與速度控制可以獲得較好的動態(tài)特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制方法，提供一基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制系統(tǒng)，包括：一基座和設(shè)于該基座上的壓電電機；所述壓電電機電機一側(cè)輸出軸與一光電編碼器相連接，另一側(cè)輸出軸與一飛輪慣性負載相連接；所述飛輪慣性負載的輸出軸經(jīng)一聯(lián)軸器與一力矩傳感器相連接，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以及所述壓電電機的出入端分別與一控制系統(tǒng)相連；所述控制系統(tǒng)搭載一反步自適應(yīng)控制器，該反步自適應(yīng)控制器通過采用反步控制算法控制壓電電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，再通過計算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度間接控制電機的速度。

在本發(fā)明一實施例中，通過李亞普諾夫穩(wěn)定性函數(shù)獲得反饋控制參數(shù)的強健性學(xué)習(xí)方法，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在本發(fā)明一實施例中，所述控制系統(tǒng)包括壓電電機驅(qū)動控制電路，所述壓電電機驅(qū)動控制電路包括搭載有上述反步自適應(yīng)控制器的控制芯片電路和驅(qū)動芯片電路，所述光電編碼器的信號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)動芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動所述驅(qū)動芯片電路，所述驅(qū)動芯片電路的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號輸出端和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號輸出端分別與所述壓電電機的相應(yīng)輸入端相連接。

在本發(fā)明一實施例中，記非線性系統(tǒng)為：

其中，yi是已知的連續(xù)的線性非線性失真，d(t)表示有界外部擾動，參數(shù)ai是常數(shù)，控制增益b是常數(shù)，v是控制輸入，u(v)表示死區(qū)非線性函數(shù)，且：

其中，br≥0,bl≤0和m>0是常數(shù)，v是輸入，u是輸出；

u(t)＝mv(t)+d1(v(t))

其中，

則，d1(v(t))是有界的；

并令：

其中，β＝bm，d(t)的影響是由于兩者外部擾動和bd1(v(t))，將d(t)記為干擾項，并將d表示其界限；

則：

其中，和y＝[y1，y2，…，yr]^t；系數(shù)矩陣a通過系統(tǒng)辨識得到；

反步自適應(yīng)控制器功能函數(shù)為：

自適應(yīng)控制方式為：

參數(shù)按照如下方式更新：

其中，ci,i＝1,…,n是正設(shè)計參數(shù)，γ和η是兩個正設(shè)計參數(shù)，γ是一個正定矩陣，和是e＝1/β、a和d的估計，δi(i＝1,…,n)是正設(shè)計參數(shù)，q＝round{(n-i+2)/2}，round{x}表示x的元素到最接近的整數(shù)；

不確定參數(shù)b和m使得β＞0；期望的軌跡yr(t)和其(n-1)階導(dǎo)數(shù)是已知和有界；閉環(huán)在環(huán)路中的所有信號都是穩(wěn)定均勻的最終有界；跟蹤誤差x(t)-yr(t)在瞬態(tài)周期期間是可調(diào)的；

令limt→∞x(t)-yr(t)＝0或limt→∞|x(t)-yr(t)|-δ1＝0，對于任意指定的邊界δ1＝0；

其中，產(chǎn)生的閉環(huán)系統(tǒng)是全局穩(wěn)定的；跟蹤誤差漸近地收斂到δ1，即：

瞬態(tài)跟蹤誤差性能由下式給出：

其中，zi(0)＝δi,i＝1,…,n。

在本發(fā)明一實施例中，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。

在本發(fā)明一實施例中，所述壓電電機、光電編碼器、力矩傳感器分別經(jīng)壓電電機固定支架、光電編碼器固定支架、力矩傳感器固定支架固定于所述基座上。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明所提出的一種基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制方法，通過使用改進反步控制器的壓電電機伺服系統(tǒng)，對于傳統(tǒng)反步控制器存在的由不連續(xù)函數(shù)參與控制導(dǎo)致的顫振，為了減少顫振的發(fā)生，本發(fā)明使用了改進算法有效的增進系統(tǒng)的控制效能，并進一步減少系統(tǒng)對于不確定性的影響程度，提高了控制的準(zhǔn)確性，可以獲得較好的動態(tài)特性。此外，該裝置設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造成本低，具有很強的實用性和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一實施例的控制電路原理圖。

【標(biāo)號說明】：1-光電編碼器，2-光電編碼器固定支架，3-壓電電機輸出軸，4-壓電電機，5-壓電電機固定支架，6-壓電電機輸出軸，7-飛輪慣性負載，8-飛輪慣性負載輸出軸，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)動芯片電路，15、16、17-光電編碼器輸出的a、b、z相信號線，18、19、20、21-驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號線，22-驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號線，23、24、25、26、27、28-控制芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動芯片電路的信號線，29-壓電電機驅(qū)動控制電路。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體說明。

本發(fā)明提出一種基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制方法，提供一基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括基座12和設(shè)于基座12上的壓電電機4，壓電電機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與飛輪慣性負載7相連接，飛輪慣性負載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，光電編碼器1的信號輸出端、力矩傳感器10的信號輸出端以及壓電電機輸出端分別接至控制系統(tǒng)。

進一步的，在本實施例中，壓電電機4、光電編碼器1、力矩傳感器10分別經(jīng)壓電電機固定支架5、光電編碼器固定支架2、力矩傳感器固定支架11固定于基座12上。

進一步的，在本實施例中，如圖2所示，上述控制系統(tǒng)包括壓電電機驅(qū)動控制電路29，壓電電機驅(qū)動控制電路29包括控制芯片電路13和驅(qū)動芯片電路14，光電編碼器1的信號輸出端與控制芯片電路13的相應(yīng)輸入端相連接，控制芯片電路13的輸出端與驅(qū)動芯片電路14的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動驅(qū)動芯片電路14，驅(qū)動芯片電路14的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號輸出端和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號輸出端分別與壓電電機4的相應(yīng)輸入端相連接。驅(qū)動芯片電路14產(chǎn)生驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號，對壓電電機輸出a、b兩相pwm的頻率、相位及通斷進行控制。通過開通及關(guān)斷pwm波的輸出來控制壓電電機的啟動和停止運行；通過調(diào)節(jié)輸出的pwm波的頻率及兩相的相位差來調(diào)節(jié)電機的最佳運行狀態(tài)。

進一步的，在本實施例中，本發(fā)明所提出的基于功能函數(shù)輸出反饋反步控制的壓電電機死區(qū)控制方法，采用一種壓電電機反步控制器的反饋自適應(yīng)伺服控制系統(tǒng)，由反步控制器和電機組成。為了避免電機中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項，使用反步控制方法對系統(tǒng)進行控制。

進一步的，在本實施例中，將具有未知區(qū)域的非線性系統(tǒng)描述如下：

其中，yi是已知的連續(xù)的線性非線性失真，d(t)表示有界外部擾動，參數(shù)ai是未知常數(shù)，控制增益b是未知常數(shù)，v是控制輸入，u(v)表示死區(qū)非線性函數(shù)。

其中，br≥0,bl≤0和m>0是常數(shù)，v是輸入，u是輸出。

u(t)＝mv(t)+d1(v(t))(2.3)

其中，

顯然，d1(v(t))是有界的。

進一步的，從模型(2.2)的結(jié)構(gòu)(2.3)，(2.1)變?yōu)椋?/p>

其中，β＝bm和d(t)的影響是由于兩者外部擾動和bd1(v(t))。將d(t)稱為“干擾”項的簡單表示和使用d表示其界限。

現(xiàn)在，以下面的形式重寫公式(2.5)：

其中，和y＝[y1，y2，…，yr]^t。系數(shù)矩陣a可以通過系統(tǒng)辨識得到。

在本實施例中，為了制定控制規(guī)律，做出以下假設(shè)：

假設(shè)1：不確定參數(shù)b和m，使得β＞0。

假設(shè)2：期望的軌跡yr(t)和其(n-1)階導(dǎo)數(shù)是已知和有界。

控制目標(biāo)是設(shè)計反饋自適應(yīng)控制律：

·閉環(huán)在環(huán)路中的所有信號都是穩(wěn)定均勻的最終有界；

·跟蹤誤差x(t)-yr(t)在瞬態(tài)周期期間是可調(diào)的。

進一步的，在本實施例中，通過明確選擇設(shè)計參數(shù)和limt→∞x(t)-yr(t)＝0或limt→∞|x(t)-yr(t)|-δ1＝0對于任意指定的邊界δ1＝0。

自適應(yīng)回步控制器功能函數(shù)：

自適應(yīng)控制律：

參數(shù)更新定律：

其中，ci,i＝1,…,n是正設(shè)計參數(shù)，γ和η是兩個正設(shè)計參數(shù)，γ是一個正定矩陣，和是e＝1/β、a和d的估計，δi(i＝1,…,n)是正設(shè)計參數(shù)，q＝round{(n-i+2)/2}，round{x}表示x的元素到最接近的整數(shù)。

進一步的，在本實施例中，還存在：

·產(chǎn)生的閉環(huán)系統(tǒng)是全局穩(wěn)定的。

·跟蹤誤差漸近地收斂到δ1，即

·瞬態(tài)跟蹤誤差性能由下式給出：

其中，zi(0)＝δi,i＝1,…,n。

進一步的，在本實施例中，控制系統(tǒng)的硬件電路包括壓電電機驅(qū)動控制電路，壓電電機驅(qū)動控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動芯片電路，反饋控制器設(shè)于控制芯片電路中。通過反饋控制器使用反步控制算法來控制電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，再通過計算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度間接控制電機的速度。由李亞普諾夫穩(wěn)定性定理獲得反饋控制參數(shù)的強健性學(xué)習(xí)法則。反饋自適應(yīng)將使用來估測控制系統(tǒng)的輸出項，用李亞普諾夫函數(shù)確保所設(shè)計的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，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，均屬于本發(fā)明的保護范圍。