一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，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；该方法建立在位置和速度信息模型基础上，在只有位置信息的情况下同时也使得伺服系统轮廓跟踪误差最小，从而能获得更好的轮廓控制效能。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法
本专利技术涉及涉及电机控制器领域,具体涉及一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法。
技术介绍
现有的超声波电机伺服控制系统，由于轴只配备了线性或角位置编码器，它导致了只有系统的位置信息可用。然而，当系统以低速运行时其产生的速度信号往往非常嘈杂。在低速运行时，噪声很容易控制测量信号。为了避免这种情况的发生，控制系统的实践必须解决状态信息的不足，控制器的操作只能依赖于位置信息。在此部分，提出了一种基于滑动摩擦模型的输出反馈轮廓控制器设计方法。通过将状态观测器设计纳入控制方案中，整个方法可以只利用位置信息完成轮廓控制器设计，也避免了许多输出反馈设计实例中出现的设计约束。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，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。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，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；该方法建立在位置和速度信息模型基础上，在只有位置信息的情况下同时也使得伺服系统轮廓跟踪误差最小，从而能获得更好的轮廓控制效能。进一步的，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。进一步的，该方法具体实现为：超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：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；x是电机转子的位移，表示加速度，D是超声波电机的线性摩擦系数；为通过计算得到的速度信号，为通过计算得到的加速度信号；考虑一个由x轴和y轴表示的二维坐标，在轮廓误差模型的基础上，将轮廓误差εc定义为法线方向，记为εc＝-sinφ·ex+cosφ·ey(1)相应的就具有切线方向分量，记为εt＝cosφ·ex+sinφ·ey(2)其中，ex和ey表示x轴和y轴的轴向跟踪误差；φ为一个随时间变化的量，用φ(t)表示；并且根据工作坐标系，通过关系式将物理坐标(x,y)中的轴向跟踪误差转换为任务坐标(εc,εt)，关系式如下：可以用矩阵表示为：εp＝Tep(4)其中εp＝[εcεt]T表示轮廓误差向量；ep＝[exey]T表示系统的跟踪误差向量；T表示变换矩阵；T满足单一性，可以表述为：TT＝T和T-1＝T(5)基于单一性质，公式(4)其相反式写为：ep＝Tεp(6)对方程(4)和(6)分别求一阶导数和二阶导数，其中一阶导数为：二阶导数为：考虑到φ(t)的时变特性，和可以进一步推导为：和控制器设计：设定x和y轴相关的变量或参数简单地用指数i表示，其中i＝1和2分别表示x和y；根据牛顿第二定律，系统的运动方程可写为：其中p＝[p1p2]T和u＝[u1u2]T分别表示位置矢量和输入矢量；fr＝[fr1fr2]T表示摩擦力矢量；M表示惯性矩阵，由于多级系统的非耦合性质；然后根据滑动摩擦模型，fr可写为：其中z＝[z1z2]T表示直立变形状态向量；是速度矢量；同时，类M，Σ0，Σ1和Σ2是三个对角矩阵：z是符合下式的动态状态：其中γ(v)是由下式定义的向量函数：函数gi(vi)是非线性的，定义如下：gi(vi)＝[fci+(fsi-fci)exp(-(vi/vsi)2)]/σ0i(16)fci，fsi和vsi是轴的相应正系数；gi(·)是正函数，用0＜fci/σ0i≤gi(vi)≤fsi/σ0i表示；方程(11)～(16)形成整个动力学系统，表示为：直立挠度矢量z总是一个有界的量，定义为：存在一个集合Ωz使得如果z(0)∈Ωz则有z(t)∈Ωz根据(14)和(15)的控制方程，令Lyapunov函数z为Vz＝1/2zTz，则Vz的时间导数为:当|z1|＞g1(v1)和|z2|＞g2(v2)时，为负；根据(16)，和g1(v1)和g2(v2)的正边界分别为0＜g1(v1)≤fs1/σ01和0＜g2(v2)≤fs2/σ02；如果|z1|＞fs1/σ01和|z2|＞fs2/σ02，则被满足；存在一个不变集是一个半径为b的圆盘，若z(0)∈Ωz，则在所有连续的时间里有z(t)∈Ωz。将上述方程从物理坐标转换到任务坐标，位置跟踪误差向量定义为ep＝p-pd；在误差动力学中，(11)中运动的系统方程为:基于(8)的原导出转换，并在(5)中应用单式属性，则可以将上述误差动态转换为任务坐标:方程(14)～(16)和(19)构成了整个系统动力学在任务坐标中的表述；基于上述式(19)中的任务坐标误差动力学，首先应用前馈控制，使得通过输入轮廓控制器u被前馈，其可以写为：则等式(19)变成：由于虚拟状态z的不可量测，为了补偿摩擦力fr，构造了一种非线性摩擦观测器；这个非线性摩擦观测器具有基于摩擦模型的形式为：其中表示摩擦力的估值，表示z的估值；状态是动态的，控制方程为：然后，将合成为：其中Ap和Av是两个常量设计矩阵。将z的估计误差定义为并将方程(24)代入方程(21)得到：和利用上面的两个等式并且用εv表示状态空间定义为：系统闭环稳定性的定义如下：如果令矩阵Ap和Av使得常数矩阵是赫尔维茨矩阵，则方程(27)中的闭环系统是全局渐近稳定的；引入一个新的非奇异变换，新的状态定义为则状态方程(27)变为：上述系统可以分为线性系统和非线性系统，线性系统为：非线性系统为：令的Lyapunov函数为V的导数为其中gi(·)为正；是全局渐近稳定的；方程(29)的中是通过时变输入矩阵对线性系统输入；根据T和的形式(9)和(10)，这两个条件都是有保证的；系统矩阵是赫尔维茨矩阵，Av也是有界的，这使得系统方程(29)满足BIBO稳定性；轮廓控制器u可以借助转换回物理(x,y)坐标，写为：从方程(24)中u的结构可以看出，前馈，反馈，交叉耦合和摩擦补偿控制在一个单独的过程中被合成，而轮廓控制的目的，轴的协调是通过u中的交叉耦合项来完成的。进一步的，所述联轴器为弹性联轴器。进一步的，所述超声波电机、光电编码器、力矩传感器分别经超声波电机固定支架、光电编码器固定支架、力矩传感器固定支架固定于所述基座上。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术系统在具有轮廓的跟踪效果上有着显著的改善且参数的变动、噪声、交叉耦合的干扰和摩擦力等因素几乎无法对于运动系统效果造成影响，故基于位置与速度信息的超声波电机伺服控制系统能有效的增进系统的动态性能，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，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；该方法建立在位置和速度信息模型基础上，在只有位置信息的情况下同时也使得伺服系统轮廓跟踪误差最小，从而能获得更好的轮廓控制效能。

【技术特征摘要】
1.一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，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；该方法建立在位置和速度信息模型基础上，在只有位置信息的情况下同时也使得伺服系统轮廓跟踪误差最小，从而能获得更好的轮廓控制效能。2.根据权利要求1所述的一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，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。3.根据权利要求1所述的一种超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，其特征在于：该方法具体实现为：超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：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；x是电机转子的位移，表示加速度，D是超声波电机的线性摩擦系数；为通过计算得到的速度信号，为通过计算得到的加速度信号；考虑一个由x轴和y轴表示的二维坐标，在轮廓误差模型的基础上，将轮廓误差εc定义为法线方向，记为εc＝-sinφ·ex+cosφ·ey(1)相应的就具有切线方向分量，记为εt＝cosφ·ex+sinφ·ey(2)其中，ex和ey表示x轴和y轴的轴向跟踪误差；φ为一个随时间变化的量，用φ(t)表示；并且根据工作坐标系，通过关系式将物理坐标(x,y)中的轴向跟踪误差转换为任务坐标(εc,εt)，关系式如下：可以用矩阵表示为：εp＝Tep(4)其中εp＝[εcεt]T表示轮廓误差向量；ep＝[exey]T表示系统的跟踪误差向量；T表示变换矩阵；T满足单一性，可以表述为：TT＝T和T-1＝T(5)基于单一性质，公式(4)其相反式写为：ep＝Tεp(6)对方程(4)和(6)分别求一阶导数和二阶导数，其中一阶导数为：二阶导数为：考虑到φ(t)的时变特性，和可以进一步推导为：和轮廓控制器设计：设定x和y轴相关的变量或参数简单地用指数i表示，其中i＝1和2分别表示x和y；根据牛顿第二定律，系统的运动方程可写为：其中p＝[p1p2]T和u＝[u1u2]T分别表示位置矢量和输入矢量；fr＝[fr1fr2]T表示摩擦力矢量；M表示惯性矩阵，由于多级系统的非耦合性质；然后根据滑动摩擦模型，fr可写为：其中z＝[z1z2]T表示直立变形状态向量；是速度矢量；同时，类M，Σ0，Σ1和Σ2是三个对角矩阵：z是符合下式的动态状态：其中γ(v)是由下式定义...

【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