[发明专利]一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法

说明书

本发明涉及一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，包括超声波电机，所述超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的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、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统；所述控制系统建立在增益限制方案的基础上，使用补偿器使得伺服系统极限环最小，从而能获得更好的伺服控制效能。

技术领域

本发明涉及电机控制器领域，特别是一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法。

背景技术

现有的超声波电机伺服控制系统，当需要进行高精度的定位时，如果控制器的增益较高会引起系统的极限循环，这使得系统的定位性能明显降低。对于系统中的摩擦力和干扰非线性，如果补偿方案由一个死区函数和积分项组成，那么通过系数调整可以使系统处于稳定范围内，此方法不但使得系统稳定，而且在设定增益的时候，可以避免不正确的增益设定使系统产生极限循环。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，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。

本发明采用以下方案实现：一种基于增益限制补偿器的超声波电机伺服控制系统极限环抑制设计方法，包括超声波电机，所述超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的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、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统；所述控制系统建立在增益限制方案的基础上，使用补偿器使得伺服系统极限环最小，从而能获得更好的伺服控制效能；

其中，超声波电机驱动系统的动态方程为：

式中，A_p＝-B/J，B_P＝J/K_t＞0，C_P＝-1/J，B为阻尼系数，J为转动惯量，K_t为电流因子，T_f(v)为摩擦阻力力矩，T_L为负载力矩，U(t) 是电机的输出力矩，θ_r(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；

所述增益限制方案采用的补偿器中，输入信号与输出信号之间的关系为：

式中，u(s)为输出信号，r(s)为输入信号，h(s)为补偿信号，K_p为控制增益的等效值，K_a为自适应增益参，K_s为所期望的上限增益值；

其中，补偿信号h(s)表示为：

h(s)＝h_e(s)/s＝[(u(s)-r(s)K_s)K_a]/s；

式中，h_e(s)表示补偿器的信号。

进一步地，考虑非线性系统：

式中，x表示电机转子的位移，表示电机转子的速度，A表示为Hurwitz矩阵，b表示系统输出与无记忆非线性函数误差的补偿系数，u表示补偿器输出，表示任意无记忆非线性函数，c表示系统状态系数向量，y表示系统输出，r表示补偿器输入，K_p表示控制器的增益；

其中，满足：式中，K表示输出量与无记忆非线性函数的比例系数；

在已知扇区范围的情况下，通过增益限制方案，根据圆或波波夫准则导出的增益值K_s限制系统控制增益K_p，从而稳定该非线性系统。