输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统及方法技术方案

发明专利技术涉及一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统及方法，该系统包括基座、设于基座上的用于固定超声波电机的超声波电机固定架，超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接；飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接；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。该控制系统由反步控制器和电机组成，整个控制器的系统建立在反步计算的基础上，从而能获得更好的控制效能。本发明专利技术所提出的一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统及方法，不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。

Ultrasonic motor servo adaptive control system and method under input saturation condition

The invention relates to an ultrasonic motor servo system and adaptive control method of input saturation condition, the system for ultrasonic motor fixation of ultrasonic motor base, which is arranged on the base, one side of the ultrasonic motor output shaft is connected with the photoelectric encoder, the other side of the output shaft with the flywheel inertia load is connected with the output shaft of the flywheel inertia load; by coupling with the torque sensor is connected; signal output signal output end of photoelectric encoder and torque sensor are respectively connected to the terminal control system. The control system is composed of backstepping controller and motor. The whole controller's system is built on the basis of backstepping calculation, so that better control performance can be obtained. The invention provides an ultrasonic motor servo self-adapting control system and method under the condition of input saturation, which not only has high control accuracy, but also has simple structure, compact structure and good use effect.

【技术实现步骤摘要】
输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统及方法
本专利技术电机控制器领域，特别是一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统及方法。
技术介绍
现有的超声波电机反步自适应伺服控制系统的设计中有一个不连续函数sgn(zn)参与控制,这可能会导致颤振。为了避免这种情况,我们现在提出改进的反步自适应控制方案。此控制系统能有效的增进系统的控制效能，并进一步减少系统对于不确定性的影响程度。因此电机的位置与速度控制可以获得较好的动态特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统及方法，以克服现有技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统，包括一基座、设于基座上的用于固定一超声波电机的超声波电机固定架，所述超声波电机一侧输出轴与一光电编码器相连接，另一侧输出轴与一飞轮惯性负载相连接；所述飞轮惯性负载的输出轴经一联轴器与一力矩传感器相连接；所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至一控制系统。在本专利技术一实施例中，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输入端相连接。还提供一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制方法，所述控制器系统采用反步控制的控制方式，通过构建反步控制器，控制所述超声波电机的电机转子旋转角度，再通过计算转子的旋转角度控制所述超声波电机的速度；并通过李亚普诺夫稳定性定理构建用于表征反步控制参数强健性学习法则的李亚普诺夫函数。在本专利技术一实施例中，所述超声波电机的驱动系统的动态方程为：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；记系统的参数均已知，外力干扰、交叉耦合干扰和摩擦力均为零，则电机的标准模型为：其中，An为Ap的标准值，Bn为BP的标准值；若产生不确定项，则系统的动态方程为：其中，Cn为CP的标准值，ΔA，ΔB、ΔC为微小变化量，D(t)为总集不确定项，并记为：令所述总集不确定项的边界为已知，|D(t)|≤ρ，ρ为预设正常数项；将非线性系统动力学表示为：其中，ai为未知常数和控制增益参数，Yi是已知的连续性或非线性函数，w是控制输入，x1(t)＝x(t)，xn＝x(n-1)，a＝[-a1,a2,…,-ar]T，Y＝[Y1,Y2,…,Yr]T；b是一个未知常数，c为常数，θ＝bc；表示有界的外部干扰，u0、w0为u、w的初始值，u为回滞系统的输出，d(t)为扰动项；u(w(t))∈R，输入饱和为：其中，uM是u(t)的饱和界限；令系统有界输入有界输出稳定，通过反步自适应控制律w(t)使得闭环系统全局稳定，跟踪误差y(t)-yr(t)通过参数进行调整；则所述非线性系统动力学表示为：其中，x1＝x,a＝[-a1,-a2,...,-ar]T，Y＝[Y1,Y2,...,Yr]T；为了补偿饱和度的影响，构造以下系统以产生信号λ(t)＝[λ1,...,λn]T：其中，ci是正的常数，Δu＝u(w)-w，进行以下坐标变化：z1＝y-yr-λ1其中，i＝2,3,...,n，αi-1是要确定的第i步虚拟控制；为了避免电机中出现不可预期的不确定项，所述反步控制器采用反步控制方法对系统进行伺服控制，所述反步控制器所采用的反步控制通过如下步骤实现：步骤S1：令：构建虚拟控制律α1为：α1＝-c1(x1-yr)；其中，c1＞1/2是正设计参数；构建李雅普诺夫函数函数V1为：且V1的导数为：其中，步骤Si，i＝2,...,n-1：令：构建虚拟控制律αi：其中，ci是设计的正参数，满足c1＞1，i＝2,...,n-1，则：构建李雅普诺夫函数函数Vi为：且Vi的导数为：其中，步骤Sn：对于i＝n，则：构建自适应控制律w为：其中，cn是满足cn＞1/2的正设计参数，是a的估计；该参数的更新规律为：其中，Γ是正定矩阵；构建李亚普诺夫函数V：其中，且V的导数为其中，相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统及方法，使用改进反步控制器的超声波电机伺服系统，传统反步控制器有不连续函数参与控制，这可能会导致颤振。为了减少颤振的发生，本专利技术使用了改进算法有效的增进系统的控制效能，并进一步减少系统对于不确定性的影响程度，提高了控制的准确性，可以获得较好的动态特性。此外，该装置设计合理，结构简单、紧凑，制造成本低，具有很强的实用性和广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例的结构示意图。图2是本专利技术实施例的控制电路原理图。【标号说明】：1-光电编码器，2-光电编码器固定支架，3-超声波电机输出轴，4-超声波电机，5-超声波电机固定支架，6-超声波电机输出轴，7-飞轮惯性负载，8-飞轮惯性负载输出轴，9-弹性联轴器，10-力矩传感器，11-力矩传感器固定支架，12-基座，13-控制芯片电路，14-驱动芯片电路，15、16、17-光电编码器输出的A、B、Z相信号，18、19、20、21-驱动芯片电路产生的驱动频率调节信号，22-驱动芯片电路产生的驱动半桥电路调节信号，23、24、25、26、27、28-控制芯片电路产生的驱动芯片电路的信号，29-超声波电机驱动控制电路。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术提供一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统，如图1所示，包括：基座12和设于基座12上的超声波电机4，超声波电机4一侧输出轴3与光电编码器1相连接，另一侧输出轴6与飞轮惯性负载7相连接，飞轮惯性负载7的输出轴8经弹性联轴器9与力矩传感器10相连接，光电编码器1的信号输出端、力矩传感器10的信号输出端分别接至控制系统。进一步的，超声波电机4、光电编码器1、力矩传感器10分别经超声波电机固定支架5、光电编码器固定支架2、力矩传感器固定支架11固定于所述基座12上。进一步的，如图2所示，控制系统包括超声波电机驱动控制电路29，超声波电机驱动控制电路29包括控制芯片电路13和驱动芯片电路14，光电编码器1的信号输出端与控制芯片电路13的相应输入端相连接，控制芯片电路13的输出端与驱动芯片电路14的相应输入端相连接，以驱动所述驱动芯片电路14，所述驱动芯片电路14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4的相应输入端相连接。驱动芯片电路14产生驱动频率调节信号和驱动半桥电路调节信号，对超声波电机输出A、B两相PWM的频率、相位及通断进行控制。通过开通及关断PWM波的输出来控制超声波电机的启动和停止运行；通过调节输出的PWM波的频率及两相的相位差来调节电机的最佳运行状态。进一步的，在本实施例中，整个控制系统建立在反步控制的基础上，反步控制器搭载于控制芯片电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统，包括一基座、设于基座上的用于固定一超声波电机的超声波电机固定架，其特征在于：所述超声波电机一侧输出轴与一光电编码器相连接，另一侧输出轴与一飞轮惯性负载相连接；所述飞轮惯性负载的输出轴经一联轴器与一力矩传感器相连接；所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至一控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统，包括一基座、设于基座上的用于固定一超声波电机的超声波电机固定架，其特征在于：所述超声波电机一侧输出轴与一光电编码器相连接，另一侧输出轴与一飞轮惯性负载相连接；所述飞轮惯性负载的输出轴经一联轴器与一力矩传感器相连接；所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至一控制系统。2.根据权利要求1所述的输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统，其特征在于：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输入端相连接。3.一种根据权利要求1所述的输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制器系统采用反步控制的控制方式，通过构建反步控制器，控制所述超声波电机的电机转子旋转角度，再通过计算转子的旋转角度控制所述超声波电机的速度；并通过李亚普诺夫稳定性定理构建用于表征反步控制参数强健性学习法则的李亚普诺夫函数。4.根据权利要求3所述的输入饱和条件下超声波电机伺服自适应控制方法，其特征在于，所述超声波电机的驱动系统的动态方程为：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；记系统的参数均已知，外力干扰、交叉耦合干扰和摩擦力均为零，则电机的标准模型为：其中，An为Ap的标准值，Bn为BP的标准值；若产生不确定项，则系统的动态方程为：其中，Cn为CP的标准值，ΔA，ΔB、ΔC为微小变化量，D(t)为总集不确定项，并记为：令所述总集不确定项的边界为已知，|D(t)|≤ρ，ρ为预设正常数项；将非线性系统动力学表示为：其中，ai为未知常数和控制增益参数，Yi是已知的连续性或非线性函数，w是控制输入，x1(t)＝x(t)，xn＝x(n-1)，a＝[-a1,a2,…,-ar]T，Y＝[Y1,Y2,…,Yr]T；b是一个未知常数，c为常数，θ＝bc；表示有界的外部干扰，u0、w0为u、w的初始值，u为回滞系统的输出，d(t)为扰动项；u(w(t))∈R，输入饱和为：其中，uM是u(t)的饱和界限；令系统有界输入有界输出稳定，通过反步自适应控制律w(t)使得闭环系统全局稳定，跟踪误差y(t)-yr(t)通过参数进行调整；则所述非线性系统动...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅平，
申请(专利权)人：闽江学院，
类型：发明
国别省市：福建,35