本發(fā)明涉及一種基于Stop算子的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)對稱滯回控制方法。

背景技術：

現(xiàn)有的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)的設計中由于力矩輸出處于合適狀態(tài)時，其滯回具有對稱性，對周期重復信號控制時有一定的誤差。為了改善跟隨性能，我們設計了基于stop算子對稱補償控制的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)。從實作結果中，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的力矩速度關系基本是線性，故基于stop算子對稱補償控制能有效增進系統(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，電機的力矩與速度控制可以獲得較好的動態(tài)特性。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Stop算子的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)對稱滯回控制方法，不僅控制準確度高，而且結構簡單、緊湊，使用效果好。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種基于Stop算子的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)對稱滯回控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：提供一基座以及設于基座上的超聲波電機，所述超聲波電機一側(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載相連接，所述飛輪慣性負載的輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號輸出端、所述力矩傳感器的信號輸出端分別接至一控制系統(tǒng)；

步驟S2：所述控制系統(tǒng)建立在stop算子補償控制器的基礎上，所述stop算子補償控制器以辨識誤差最小為其調(diào)整函數(shù)，從而獲得更好的輸入輸出控制效能；所述控制系統(tǒng)的動態(tài)方程為：

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)動慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號。

進一步的，所述步驟S1中，所述控制系統(tǒng)包括超聲波電機驅(qū)動控制電路，所述超聲波電機驅(qū)動控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動芯片電路，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超聲波電機的相應輸入端相連接，所述stop算子補償控制器設置于所述控制芯片電路中。

進一步的，所述步驟S1中，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。

進一步的，所述步驟S1中，所述超聲波電機、光電編碼器、力矩傳感器分別經(jīng)超聲波電機固定支架、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。

進一步的，所述步驟S2中，電機力矩-速度特性的滯回具有對稱性，為了減少此現(xiàn)象造成的影響同時減少運算量，使用stop算子對稱滯回補償對其進行控制：停止操作符的輸出是它臨界值s和輸入v(t)的函數(shù)，輸入v(t)∈C[0，T]的stop算子輸出可以表示為：

E_s[v](0)＝e_s(v(0))

E_s[v](t)＝e_s(v(t)-v(t_i)+E_s[v](t_i))

對于t_i＜t＜t_i+1且0≤i≤N-1，

e_s＝min(s,max(-s,v))

其中0＝t₀<t₁<......<t_l＝T是T[0，T]的分區(qū)，使得函數(shù)v(t)∈C[0，T]，C[0，T]表示[0，T]上的連續(xù)函數(shù)的空間，在每個子區(qū)間[t_i，t_i+1]上是單調(diào)的；

在不同閾值s下，stop算子的輸出為：

把上式離散化，輸出通過n個stop算子來描述，0＝s₀<s₁<......<s_n＝S，也就是：

其中w_s表示密度函數(shù)的權重，即

由于Lipschitz連續(xù)性，stop算子E_s為可積密度函數(shù)，因此基于stop算子的模型對于給定輸入v(t)∈C[0，T]是Lipschitz連續(xù)的，可以進一步得到此模型是單調(diào)運算符，權重函數(shù)可積分且為正；

當系統(tǒng)工作時，輸入信號v(t)先經(jīng)過逆系統(tǒng)ψ，其輸出作為控制信號進入對稱系統(tǒng)Φ，使用前饋補償以獲得期望輸入v(t)和輸出u(t)之間的映射：

u(t)＝Φ[ψ[v]](t)

基于PPI模型的初始負載曲線和給定的閾值r_i和對應的權重p_i，得到stop算子的兩個參數(shù)：閾值s_i和權重w_i；

假設PPI模型的初始加載曲線表示為：

其中r∈[r₀，r_np]和r₀＝0，n_p是算子p的個數(shù)，p為PPI模型的算子，r_i為PPI模型的閾值；函數(shù)φ_p：R^+→R⁺是凸函數(shù)和遞增函數(shù)，為了獲得補償器的參數(shù)，基于stop算子的初始加載曲線φ_s定義為：

其中φ_s：：R^+→R⁺是凹函數(shù)和增函數(shù)，n_s是算子的個數(shù)，s∈[0，s₀]，s₀設為大的正實數(shù)，滿足s₀>max(v(t))，確保stop算子模型的嚴格單調(diào)性；

為了獲得stop算子模型的權重和閾值，stop算子模型的閾值和初始負載曲線滿足：

s_i＝φ_r(r_i) (3.16)

φ_s(s_i)＝r_i (3.17)

根據(jù)PPI的初始負載曲線上的任何點B(r_k，φ_r)滿足方程(3.16)和(3.17)，它總是可以在stop算子的初始負載曲線上找到對應點C(s_k，φ_s)；stop算子模型的閾值可以用以下方式與PPI模型的閾值相關：

s₁＝r₁p₀

s₂＝(r₂-r₁)p₁+r₂p₀

s₃＝(r₃-r₁)p₁+(r₃-r₂)p₂+r₃p₀

s_n＝(r_n-r₁)p₁+(r_n-r₂)p₂+...+r_np₀ (3.18)

stop算子模型w_i可以根據(jù)(3.17)計算為：

方程組(3.19)包括(n+1)個未知變量，而方程的數(shù)量為n，為了求解方程(3.19)并獲得權重w_n，應首先求解權重w₀；

在SPI模型的初始負載曲線上采用附加點作為(s_n+1，φ_s(s_n+1))，通過使其中是正實數(shù)，可以表示為ξ＝φ_s(s_n+1)；

根據(jù)(3.16)和(3.17)：

公式(3.19)和(3.21)：

方程(3.20)可以表示為：

從(3.22)和(3.23)得出w₀：

最后通過求解方程(3.19)容易地獲得stop算子模型的權重w_i。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果：本發(fā)明采用stop算子對稱補償控制的超聲波電機伺服控制器，系統(tǒng)在力矩速度跟蹤效果上有著顯著的改善，此對稱補償控制能有效的增進系統(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，提高了控制的準確性，可以獲得較好的動態(tài)特性。此外，該裝置設計合理，結構簡單、緊湊，制造成本低，具有很強的實用性和廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明一實施例的控制電路原理圖。

圖3是本發(fā)明的開環(huán)控制系統(tǒng)圖。

圖中：1-光電編碼器，2-光電編碼器固定支架，3-超聲波電機輸出軸，4-超聲波電機，5-超聲波電機固定支架，6-超聲波電機輸出軸，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，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，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，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，29-超聲波電機驅(qū)動控制電路。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明提供一種基于Stop算子的超聲波電機伺服控制系統(tǒng)對稱滯回控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：請參照圖1，提供一基座12和設于基座12上的超聲波電機4，所述超聲波電機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，所述飛輪慣性負載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，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(tǒng)。

上述超聲波電機4、光電編碼器1、力矩傳感器10分別經(jīng)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)包括超聲波電機驅(qū)動控制電路29，所述超聲波電機驅(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，所述光電編碼器1的信號輸出端與所述控制芯片電路13的相應輸入端相連接，所述控制芯片電路13的輸出端與所述驅(qū)動芯片電路14的相應輸入端相連接，以驅(qū)動所述驅(qū)動芯片電路14，所述驅(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)信號輸出端分別與所述超聲波電機4的相應輸入端相連接。所述驅(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(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)。

步驟S2：所述控制系統(tǒng)建立在stop算子補償控制器的基礎上，所述stop算子補償控制器設置于所述控制芯片電路中；所述stop算子補償控制器以辨識誤差最小為其調(diào)整函數(shù)，從而獲得更好的輸入輸出控制效能；所述控制系統(tǒng)的動態(tài)方程為：

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)動慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號。

當電機的負載力矩適中時，電機力矩-速度特性的滯回具有對稱性，為了減少此現(xiàn)象造成的影響同時減少運算量，我們使用stop算子對稱滯回補償對其進行控制：停止操作符的輸出是它臨界值s和輸入v(t)的函數(shù)，輸入v(t)∈C[0，T]的stop算子輸出可以表示為：

E_s[v](0)＝e_s(v(0))

E_s[v](t)＝e_s(v(t)-v(t_i)+E_s[v](t_i))

對于t_i＜t＜t_i+1且0≤i≤N-1，

e_s＝min(s,max(-s,v))

其中0＝t₀<t₁<......<t_l＝T是T[0，T]的分區(qū)，使得函數(shù)v(t)∈C[0，T]，C[0，T]表示[0，T]上的連續(xù)函數(shù)的空間，在每個子區(qū)間[t_i，t_i+1]上是單調(diào)的；

在不同閾值s下，stop算子的輸出為：

把上式離散化，輸出通過n個stop算子來描述，0＝s₀<s₁<......<s_n＝S，也就是：

其中w_s表示密度函數(shù)的權重，即

由于Lipschitz連續(xù)性，stop算子E_s為可積密度函數(shù)，因此基于stop算子的模型對于給定輸入v(t)∈C[0，T]是Lipschitz連續(xù)的，可以進一步得到此模型是單調(diào)運算符，權重函數(shù)可積分且為正；

如圖3所示，當系統(tǒng)工作時，輸入信號v(t)先經(jīng)過逆系統(tǒng)ψ，其輸出作為控制信號進入對稱系統(tǒng)Φ，我們使用前饋補償以獲得期望輸入v(t)和輸出u(t)之間的映射：

u(t)＝Φ[ψ[v]](t)

基于PPI模型的初始負載曲線和給定的閾值r_i和對應的權重p_i，可以得到stop算子的兩個參數(shù)：閾值s_i和權重w_i；

假設PPI模型的初始加載曲線表示為：

其中r∈[r₀，r_np]和r₀＝0，n_p是算子p的個數(shù)，p為PPI模型的算子，r_i為PPI模型的閾值；函數(shù)φ_p：R^+→R⁺是凸函數(shù)和遞增函數(shù)，為了獲得補償器的參數(shù)，基于stop算子的初始加載曲線φ_s定義為：

其中φ_s：：R^+→R⁺是凹函數(shù)和增函數(shù)，n_s是算子的個數(shù)，s∈[0，s₀]，s₀設為大的正實數(shù)，滿足s₀>max(v(t))，確保stop算子模型的嚴格單調(diào)性；

為了獲得stop算子模型的權重和閾值，stop算子模型的閾值和初始負載曲線滿足：

s_i＝φ_r(r_i) (3.16)

φ_s(s_i)＝r_i (3.17)

根據(jù)PPI的初始負載曲線上的任何點B(r_k，φ_r)滿足方程(3.16)和(3.17)，它總是可以在stop算子的初始負載曲線上找到對應點C(s_k，φ_s)；stop算子模型的閾值可以用以下方式與PPI模型的閾值相關：

s₁＝r₁p₀

s₂＝(r₂-r₁)p₁+r₂p₀

s₃＝(r₃-r₁)p₁+(r₃-r₂)p₂+r₃p₀

s_n＝(r_n-r₁)p₁+(r_n-r₂)p₂+...+r_np₀ (3.18)

stop算子模型w_i可以根據(jù)(3.17)計算為：

方程組(3.19)包括(n+1)個未知變量，而方程的數(shù)量為n，為了求解方程(3.19)并獲得權重w_n，應首先求解權重w₀；

為此，在SPI模型的初始負載曲線上采用附加點作為(s_n+1，φ_s(s_n+1))，通過使其中是正實數(shù)，可以表示為ξ＝φ_s(s_n+1)；

根據(jù)(3.16)和(3.17)：

公式(3.19)和(3.21)：

方程(3.20)可以表示為：

從(3.22)和(3.23)得出w₀：

最后通過求解方程(3.19)容易地獲得stop算子模型的權重w_i。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。