[发明专利]干扰观测器在嵌入式运动控制中的实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及运动控制技术领域中的嵌入式运动控制器开发与设计，具体是一种高阶干扰观测器在DSP中的实现方法。

背景技术

干扰观测器（Disturbance Observer，DOB）的概念是由K.Ohnishi于1987年提出的，其基本思想是：将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异作为一个补偿信号等效到控制输入端，以消除外部力矩干扰和内部模型摄动对系统性能的影响，实现对外部干扰和内部模型摄动的有效抑制。干扰观测器既能有效地解决模型不确定性、干扰及非线性问题，又能够动态补偿系统相位滞后问题，因此被广泛地应用于高性能的伺服系统中，如飞行器轨迹规划优化控制、控制力矩陀螺的磁轴承轴向力控制和引线键合设备高加速度直线电机平台快速高精度定位控制等。

然而，在实际工程应用中，干扰观测器多采用算法和运动控制器分离的工作方式，即上位机进行算法运算并将计算数据传送给底层的运动控制器来执行，底层运动控制器接收上位机数据进行相应滤波后直接通过D/A转换模块将控制量传递给驱动器驱动被控对象完成相应的运动。这是由于在保证系统高精度运动的同时，高性能的干扰观测器控制算法也带来了计算量大、计算时间长及计算精度高等问题。虽然这种上位机和运动控制器分离的工作方式易于在实际应用中实现并且合理利用了彼此的资源，但是这种方式也带来了反馈延时和执行延时的问题，开发人员需要更多的技术来解决此方式带来的问题。

目前，为了合理解决延时问题和有效降低生产成本，研究人员致力于在充分考虑数据长度和精度及程序运行时间等问题的前提下，将此种高性能控制算法集成于低成本的嵌入式运动控制器中，尤其是定点DSP控制器。

经检索发现，中国专利申请号为200910077755.0，名称为“一种基于干扰观测器的高精度磁轴承轴向控制方法”中涉及的干扰观测器是在浮点DSP（型号TMS320VC33）中进行应用的。然而，该专利对所用干扰观测器实现的方法未作说明。

经检索又发现，C.Liu等在文献“High precision embedded control of a high acceleration positioning system”（Intelligent Robotics and Applications，Springer，2012，pp.551–560）中提及的干扰观测器是在定点DSP芯片中采用float形式实现其应用的。采用float形式在定点DSP中编程可以有效地保证运算精度，但是这种方法也给程序开发人员带来了程序运行时间过长的缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，在保证运算精度的前提下，缩短程序的运行时间，以减小干扰观测器的延时，同时采用功耗低、价格便宜的定点DSP，可有效降低生产成本。

本发明提供的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，包括两个部分：采用级联方式实现高阶干扰观测器，以及采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式实现高阶干扰观测器。

定点DSP由于计算位数的限制，存在数据截断和舍入误差，用于实现高阶干扰观测器，不能保证运算精度。本发明中采用级联方式实现高阶干扰观测器，在充分考虑定点DSP计算位数的前提下，合理分配计算变量，有效避让了数据截断，保存了更多的有效数字，从而保证运算精度。

依据伺服系统特点和定点DSP芯片的特点，本发明中采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式实现高阶干扰观测器。通过合理分配级联型高阶干扰观测器中各变量的格式，如采用整型格式定义位移反馈信号，采用浮点格式定义DA转换芯片的输入等，有效避免了舍入误差的带来的影响，在保证计算精度的前提下，缩短了程序的运行时间，提高了高阶干扰观测器的响应速度。

本发明提供的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，包括以下步骤：

（1）将分子为一阶、分母为高阶的二项式低通滤波器Q(s)，设计为多个级联的滤波器，并进行欧拉变换；

（2）对基于名义模型逆和二项式低通滤波器的乘积项进行级联展开，得到多个级联关系式，并进行欧拉变换；

（3）采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式，在定点DSP中实现高阶干扰观测器；

高阶是指三阶或三阶以上。

进一步地，步骤（3）包括以下步骤：

（31）采用浮点格式的变量保存运动控制器的数字控制量，数字控制量包括上一个伺服周期的数字控制量和上上个伺服周期的数字控制量；