[发明专利]一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法

权利要求书

1.一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述补偿方法中，电机的控制系统包括电机控制器；电机动力系统中，电机一侧的输出轴测量端(3)与光电编码器(1)相连接，另一侧的输出轴动力端(6)与用于模拟电机扰动负载的飞轮惯性负载相连；所述飞轮惯性负载的输出轴经弹性联轴器(9)与力矩传感器(10)相连；所述电机控制器经光电编码器采集电机输出轴的角速度，经力矩传感器采集飞轮惯性负载的摩擦力矩，以根据采集数据调整电机工况来进行鲁棒扰动补偿。

2.根据权利要求1所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述电机为设于基座(12)上的超声波电机(4)。

3.根据权利要求2所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述电机控制器包括超声波电机驱动控制电路(29)，所述超声波电机驱动控制电路包括控制芯片电路(13)和驱动芯片电路(14)，所述光电编码器的信号输出端与控制芯片电路的对应输入端相连接，控制芯片电路的输出端与驱动芯片电路的对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；所述驱动芯片电路产生驱动频率调节信号和驱动半桥电路调节信号，对超声波电机输出A、B两相PWM的频率、相位及通断进行控制，通过开通及关断PWM波的输出来控制超声波电机的启动和停止运行；通过调节输出的PWM波的频率及两相的相位差来调节电机的最佳运行状态。

4.根据权利要求2所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：所述电机动力系统形成预滑动摩擦力模型，所述预滑动摩擦力模型的摩擦效应以公式表述为

J(dω/dt)＝T_m-T_f-Bω 公式一；

J是总转动惯量，ω是电机角速度，T_m是电机的转矩，T_f是摩擦力矩，B是粘性阻尼系数，T_m以公式表示为：

T_m＝(V_A-V_B)(K_T/R)＝(K_Au-K_Bω) 公式二；

V_A是电压放大器的输出，V_B的反电动势电压，K_T是电机的转矩常数，R为电枢电阻，K_A是电压放大器的增益，u是控制电压，K_B是反电动势常数；

预滑动摩擦力模型中，用于参数不确定系统建模的公式为

公式三；

其中在公式三的项中，加在字母上的“^”代表标称参数，而“Δ”表示在参数的变化；

名义传递函数为表示为：

其中，模型不确定性函数定义为：

式中：

P(s)和ΔP(s)是未知量，为对系统采集信息的识别量；

当非线性摩擦力矩T_f为未知的干扰值时，使用T_ef代替T_f，即公式三表述为：

当T_ef为可估算值时，则补偿函数可用于消除摩擦力矩和模型不确定性的影响；

当电机输出轴的角速度以下述公式表述时

此时

补偿函数为

其中g是积分项的非负增益，F(s)是高截止频率的低通滤波器；公式九中的滤波器F(s)用于过滤高频测量噪声；

当模型存在不确定性时，参数误差函数ρ(s)以公式定义为:

公式九可表述为

公式十一中，等于等价函数T_ef(s)和参数误差函数ρ(s)的差，ρ(s)具有高增益g；当增益g被设计为较大值时，模型的跟踪效果得到改善，即通过补偿函数减小了摩擦力矩和参数误差函数对电机系统的影响；

在增设补偿函数后，公式六表述为：

模型中，剩余的扰动d(s)以公式定义为:

其中d₁(s)和d₂(s)代表残余摩擦和残差模型的对电机动力系统的不确定性干扰。

5.根据权利要求4所述的一种伺服电机鲁棒扰动补偿方法，其特征在于：当无法完全消除残余摩擦力和模拟方案模型中的方程不完全补偿时，则结合传统控制器，以抑制残余摩擦力和方程不完全补偿引起的模型不确定性；

结合公式十二、公式十三，电机的动力学方程由以下公式表述；

上式中，

b＝(K_AK_T)/(RJ) 公式十六；

对于已知的非负常数δ₁和δ₂，干扰d₁(t)和d₂(t)，有：

d₁(t)＜δ₁，d₂(t)＜δ₂ 公式十七；

当公式十四中的动态参数f(t)不能完全确定时，干扰δ₁和δ₂有界；

动态参数f(t)和估计值之间的估计误差由下列已知函数确定：

公式十四中的参数b的控制增益是具有已知边界的未知量，b_max、b_min为边界最大和最小值，即

b_max≥b≥b_min＞0 公式十九；

控制增益的估计值为公式十九给出的几何平均值：

边界以公式表述为：

公式二十一中

当时变状态向量被定义为x(t)＝[θ(t) ω(t)]^T 公式二十三时，

所需的时变状态定义为x_d(t)＝[θ_d(t) ω_d(t)]^T 公式二十四；

跟踪误差矢量定义为：

补偿方法的开关状态s(t)＝0，在模型的状态空间中定义为：

其中λ是严格正常数；

补偿方法的控制律

其中

其中η是严格正常数，