專利名稱：：超聲電機速度-位置雙閉環(huán)控制模式的制作方法
技術領域：
：超聲電機速度-位置雙閉環(huán)控制模式，屬自動控制領域。
背景技術：
：隨著超聲電機技術的不斷發(fā)展和應用領域的不斷擴大，出現(xiàn)了一套械裝備中需要多臺超聲電機同時驅動控制的情況，如利用超聲電機不受輻射和高低溫巨變影響的特點將其用于太空機械臂各關節(jié)的驅動。目前，關于超聲電機驅動控制還停留在針對單個超聲電機的情況，這些控制策略未必能有效地直接應用于多超聲電機的驅動控制。傳統(tǒng)電機的速度一位置聯(lián)合控制一般有兩種形式，一種是位置閉環(huán)包含速度閉環(huán)，如圖l(a)所示；另一種是速度閉環(huán)包含位置閉環(huán)，如圖l(b)所示。但這兩種控制方式均無法運用在超聲電機上。通過位置反饋后超聲電機的實際速度與理想速度會相差較大，讓它們再進行比較來獲得速度誤差己毫無意義；同理，通過速度反饋后超聲電機的實際位置與理想位置相差也較大，讓它們再進行比較來獲得位置誤差也沒有實際意義。實驗也證明，采用這種內外環(huán)的控制方法，得到的位置精度不會優(yōu)于位置閉環(huán)控制的精度，速度的穩(wěn)定性也不會好過速度閉環(huán)控制的情況。以超聲電機驅動多關節(jié)機器人為例，一個關節(jié)由一臺超聲電機驅動。位置反饋控制可以獲得較好的關節(jié)位置精度，但由于超聲電機的速度響應非?？欤沟脵C器人關節(jié)的速度變化較為劇烈，從而使機器人運行的平穩(wěn)性不能得到保證；速度反饋控制可以獲得很好的運動平穩(wěn)性，但關節(jié)位置精度較差。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提出了一種運行平穩(wěn)、位置精度好的控制模式。這種控制模式特別適用于在一套設備中需要多臺超聲電機同時驅動且精確控制的情況。一種適用于超聲電機的速度-位置雙閉環(huán)控制模式，通過改變加在驅動器中壓控振蕩器的直流電壓來調節(jié)驅動器輸出信號的頻率，進而改變超聲電機的速度，其中初始控制電壓為U。，其特征在于包括形式上并聯(lián)，操作順序上串聯(lián)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)；首先進行速度閉環(huán)控制，當速度反饋控制獲得超聲電機運行平穩(wěn)且位置精度已達到速度閉環(huán)控制所能控制的極限時，也就獲得了該超聲電機驅動器的控制電壓增量AU2;在U。+All2作為控制電壓的基礎上，添加位置閉環(huán)控制，當位置反饋控制獲得超聲電機運行平穩(wěn)且位置精度已達到位置閉環(huán)控制所能控制的極限時，也就獲得了該超聲電機驅動器的控制電壓增量AU,;將u。+Au2+Au!作為最終超聲電機控制電壓。在多臺超聲電機驅動的設備中，單臺超聲電機往往會將其運動的誤差和運行不平穩(wěn)帶來的顫振，通過其與其它超聲電機相聯(lián)的零部件，傳遞給其它的超聲電機。這些零部件往往還會起到將誤差和顫振放大的作用，這會引起整套設備的顫振和精度的降低。相對于只有一臺超聲電機的設備而言，多臺超聲電機驅動的設備對超聲電機的控制效果提出了更高的要求。圖1:現(xiàn)有電磁電機的雙閉環(huán)控制模式。其中圖l(a)為位置閉環(huán)包含速度閉環(huán)。圖l(b)為速度閉環(huán)包含位置閉環(huán)。圖2:速度一位置雙閉環(huán)控制模式圖。圖3:三關節(jié)機器人結構圖。其中圖3(a)為側視圖。其中圖3(b)為主視圖。圖4:三關節(jié)機器人控制結構圖圖中標號名稱L腕關節(jié)超聲電機，2.肩關節(jié)超聲電機，3.腰關節(jié)超聲電機，4.夾持手，5.腕關節(jié)旋轉編碼器，6.肩關節(jié)旋轉編碼器，7.腰關節(jié)旋轉編碼器。具體實施例方式現(xiàn)有電磁電機的雙閉環(huán)控制模式如圖1所示，圖2是本發(fā)明提出的針對超聲電機運行特性的雙閉環(huán)控制模式。圖1中的兩個閉環(huán)控制形式上是包含與被包含的關系。圖l(a)是位置閉環(huán)包含了速度閉環(huán)，圖l(b)是速度閉環(huán)包含了位置閉環(huán)。在超聲電機的控制中，如果采用圖l(a)的模式，首先進行位置反饋比較，則位置精度可以確保，但此時超聲電機的實際瞬時速度與理想速度會有很大誤差并且電機易發(fā)生顫振，再進行速度反饋比較就失去了意義；如果采用圖l(b)的模式，首先進行速度反饋比較，可以確保超聲電機的運行平穩(wěn)，但此時超聲電機的實際瞬時位置與理想位置會有巨大誤差，再進行位置反饋比較也會變得毫無意義。造成這兩種模式都不能適用于超聲電機的主要原因是超聲電機的速度響應非?？?，使得超聲電機的速度變化較為劇烈。圖l(a)中，理想速度的獲取是建立在位置控制的基礎之上，它對位置控制有依賴性；同理，圖l(b)中，理想位置的獲取是建立在速度控制的基礎之上，它對速度控制有依賴性。圖2中，速度反饋比較和位置反饋比較在實際操作中，雖然有順序上的前后之分，在形式上是并聯(lián)的，具有各自的獨立性，主要表現(xiàn)在理想速度和理想位置的獲取互不依賴?？刂颇Ｊ饺鐖D2所示。圖2所示的控制模式中有兩個閉環(huán)控制，分別是速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。超聲電機調速的基本方式是通過改變加在超聲電機驅動器中壓控振蕩器的直流電壓來調節(jié)驅動器輸出信號的頻率，進而改變超聲電機的速度。超聲電機的初始控制電壓為uo，考慮到速度反饋控制能保證超聲電機有很好的運動平穩(wěn)性，首先進行速度閉環(huán)控制。選取一種常用的位置控制性能指標作為衡量的標準，不斷調整速度閉環(huán)控制參數(shù)，當這個性能指標的數(shù)值不能再進一步得到提升時，表明速度反饋控制所獲得的位置精度己達到其所能控制的極限，這時也就獲得了該超聲電機驅動器的控制電壓增量AU2;以UQ+AU2作為控制電壓的基礎，選用位置控制性能指標和速度控制性能指標同時作為衡量的依據(jù)，不斷調整位置閉環(huán)控制參數(shù)，當位置反饋控制獲得超聲電機運行速度平穩(wěn)且位置精度已達到位置閉環(huán)控制所能控制的極限時，也就獲得了該超聲電機驅動器的控制電壓增量厶u"將u。+厶U2+Au,作為最終超聲電機控制電壓。數(shù)據(jù)對比三關節(jié)機器人的機構結構圖如圖3所示，它可以在工作空間的任何一個平面內畫圖形或寫字。三個關節(jié)均采用超聲電機驅動，腰關節(jié)和肩關節(jié)使用的是南京航空航天大學精密驅動研究所制的TRUM-60型超聲電機，腕關節(jié)使用的是TRUM-45型。每一個關節(jié)配備一臺旋轉編碼器，旋轉編碼器的結構選用中空型，從而省去了電機與編碼器之間的聯(lián)軸器，編碼器每轉的脈沖數(shù)是2000。機器人腕關節(jié)和肩關節(jié)的活動范圍均是±卯°，腰關節(jié)的活動范圍是±360°。表l是機器人的各關節(jié)桿件長度和質量數(shù)據(jù)。表14<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>基于PC計算機控制系統(tǒng)的超聲電機驅動的三關節(jié)機器人控制結構圖，如圖4所示。采用了固高公司通用型GT-400-SV運動控制卡，一方面利用其模擬量電壓輸出來調節(jié)電機轉速，另一方面利用該卡提供的功能讀出旋轉編碼器的脈沖值。該型控制卡具有數(shù)字濾波和脈沖4倍頻電路，因而可以將位置反饋精度提高到每轉8000個脈沖。機器人控制系統(tǒng)的工作過程是PC控制機將擬定好的各關節(jié)的目標運動數(shù)據(jù)傳送給運動控制卡，控制卡將這些數(shù)字信號轉換成模擬信號，并通過端子板發(fā)送給超聲電機的驅動器，從而控制電機的運動。編碼器將各個關節(jié)的瞬時位置信息通過接口電路反饋到運動控制卡，控制卡將編碼器的信號轉換為位置的數(shù)字信號，并將此位置信息傳送到PC控制機中，控制機以編碼器的反饋信號為依據(jù)，得到瞬時的誤差信號e(f)，并根據(jù)誤差信號的大小，利用控制算法計算出電機下一個控制周期的控制量大小，從而實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。表2是位置反饋、速度反饋、位置環(huán)包速度環(huán)、速度環(huán)包位置環(huán)和位置-速度雙閉環(huán)反饋的控制效果數(shù)據(jù)比較?？刂茖ο笫浅曤姍C驅動的三關節(jié)機器人。從表中可以明顯看出位置-速度雙閉環(huán)反饋的控制精度比其它四種控制方式高。從表中還可以看出一般電機采用的雙閉環(huán)控制方式用于超聲電機上的控制效果比單閉環(huán)控制(位置反饋或速度反饋)的效果還差。表2五種控制方式的數(shù)據(jù)比較^^^^g態(tài)誤差最大值腰關節(jié)肩關節(jié)腕關節(jié)位置反饋0.213°0.425°1.125速度反饋0.135°19.125°25.65°位置環(huán)包速度環(huán)0.326°21.135°27.35°速度環(huán)包位置環(huán)0.427°24.165。29.15°位置一速度雙閉環(huán)反饋0.065°0.155°0.195。權利要求1、一種適用于超聲電機的速度-位置雙閉環(huán)控制模式，通過改變加在驅動器中壓控振蕩器的直流電壓來調節(jié)驅動器輸出信號的頻率，進而改變超聲電機的速度，其中初始控制電壓為u0，其特征在于包括形式上并聯(lián)，操作順序上串聯(lián)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)；首先進行速度閉環(huán)控制，當速度反饋控制獲得超聲電機運行平穩(wěn)且位置精度已達到速度閉環(huán)控制所能控制的極限時，也就獲得了該超聲電機驅動器的控制電壓增量△u2；在u0+△u2作為控制電壓的基礎上，添加位置閉環(huán)控制，當位置反饋控制獲得超聲電機運行平穩(wěn)且位置精度已達到位置閉環(huán)控制所能控制的極限時，也就獲得了該超聲電機驅動器的控制電壓增量△u1；將u0+△u2+△u1作為最終超聲電機控制電壓。全文摘要本發(fā)明涉及一種提高運行于設備中多臺超聲電機運行性能的控制方法，屬于自動控制領域。在一套設備中，需要多臺超聲電機同時驅動和控制時，位置反饋控制可以獲得較好的位置精度，但由于超聲電機的速度響應非?？?，使得超聲電機的速度變化較為劇烈，從而使整臺設備運行的平穩(wěn)性不能得到保證；速度反饋控制可以獲得很好的運動平穩(wěn)性，但位置精度較差。為了解決這個矛盾，設計出了一種新型的速度-位置雙閉環(huán)控制模式，將速度閉環(huán)控制電壓增量與位置閉環(huán)控制電壓增量相加，作為總的控制電壓增量，作用于超聲電機的驅動器，以提高超聲電機及其驅動設備的整體運行性能。該發(fā)明適用于超聲電機驅動的設備，尤其是需要多臺超聲電機同時驅動控制的場合。文檔編號H02N2/00GK101478262SQ200810156170公開日2009年7月8日申請日期2008年9月24日優(yōu)先權日2008年9月24日發(fā)明者孫志峻,邢仁濤申請人:南京航空航天大學