干擾觀測器在嵌入式運(yùn)動(dòng)控制中的實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】一種高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，包括級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器，有效避免了計(jì)算過程中量化誤差和截?cái)嗾`差帶來的影響，保證了高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的運(yùn)算精度；采用整型格式、浮點(diǎn)格式與IQ格式結(jié)合的方式，在定點(diǎn)DSP中實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器，既不影響數(shù)字控制量的運(yùn)算精度，又能縮短了程序的運(yùn)行時(shí)間，從而減小干擾觀測器的延時(shí)，提高響應(yīng)的速度。
【專利說明】干擾觀測器在嵌入式運(yùn)動(dòng)控制中的實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】中的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)與設(shè)計(jì)，具體是一種高階干擾觀測器在DSP中的實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]干擾觀測器(DisturbanceObserver,DOB)的概念是由 K.0hnishi 于 1987 年提出的，其基本思想是:將外部力矩干擾及模型參數(shù)變化造成的實(shí)際對(duì)象與名義模型輸出的差異作為一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)等效到控制輸入端，以消除外部力矩干擾和內(nèi)部模型攝動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部干擾和內(nèi)部模型攝動(dòng)的有效抑制。干擾觀測器既能有效地解決模型不確定性、干擾及非線性問題，又能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)相位滯后問題，因此被廣泛地應(yīng)用于高性能的伺服系統(tǒng)中，如飛行器軌跡規(guī)劃優(yōu)化控制、控制力矩陀螺的磁軸承軸向力控制和引線鍵合設(shè)備高加速度直線電機(jī)平臺(tái)快速高精度定位控制等。
[0003]然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，干擾觀測器多采用算法和運(yùn)動(dòng)控制器分離的工作方式，即上位機(jī)進(jìn)行算法運(yùn)算并將計(jì)算數(shù)據(jù)傳送給底層的運(yùn)動(dòng)控制器來執(zhí)行，底層運(yùn)動(dòng)控制器接收上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)濾波后直接通過D/A轉(zhuǎn)換模塊將控制量傳遞給驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這是由于在保證系統(tǒng)高精度運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，高性能的干擾觀測器控制算法也帶來了計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長及計(jì)算精度高等問題。雖然這種上位機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器分離的工作方式易于在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)并且合理利用了彼此的資源，但是這種方式也帶來了反饋延時(shí)和執(zhí)行延時(shí)的問題，開發(fā)人員需要更多的技術(shù)來解決此方式帶來的問題。
[0004]目前，為了合理解決延時(shí)問題和有效降低生產(chǎn)成本，研究人員致力于在充分考慮數(shù)據(jù)長度和精度及程序運(yùn)行時(shí)間等問題的前提下，將此種高性能控制算法集成于低成本的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器中，尤其是定點(diǎn)DSP控制器。
[0005]經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910077755.0，名稱為“一種基于干擾觀測器的高精度磁軸承軸向控制方法”中涉及的干擾觀測器是在浮點(diǎn)DSP (型號(hào)TMS320VC33)中進(jìn)行應(yīng)用的。然而，該專利對(duì)所用干擾觀測器實(shí)現(xiàn)的方法未作說明。
[0006]經(jīng)檢索又發(fā)現(xiàn)，C.Liu 等在文獻(xiàn) “High precision embedded control of ahigh acceleration positioning system” (Intelligent Robotics and Applications,Springer, 2012, pp.551 - 560)中提及的干擾觀測器是在定點(diǎn)DSP芯片中采用float形式實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的。采用float形式在定點(diǎn)DSP中編程可以有效地保證運(yùn)算精度，但是這種方法也給程序開發(fā)人員帶來了程序運(yùn)行時(shí)間過長的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供一種高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，在保證運(yùn)算精度的前提下，縮短程序的運(yùn)行時(shí)間，以減小干擾觀測器的延時(shí)，同時(shí)采用功耗低、價(jià)格便宜的定點(diǎn)DSP，可有效降低生產(chǎn)成本。
[0008]本發(fā)明提供的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，包括兩個(gè)部分:采用級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器，以及采用整型格式、浮點(diǎn)格式與IQ格式結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器。
[0009]定點(diǎn)DSP由于計(jì)算位數(shù)的限制，存在數(shù)據(jù)截?cái)嗪蜕崛胝`差，用于實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器，不能保證運(yùn)算精度。本發(fā)明中采用級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器，在充分考慮定點(diǎn)DSP計(jì)算位數(shù)的前提下，合理分配計(jì)算變量，有效避讓了數(shù)據(jù)截?cái)?，保存了更多的有效?shù)字，從而保證運(yùn)算精度。
[0010]依據(jù)伺服系統(tǒng)特點(diǎn)和定點(diǎn)DSP芯片的特點(diǎn)，本發(fā)明中采用整型格式、浮點(diǎn)格式與IQ格式結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器。通過合理分配級(jí)聯(lián)型高階干擾觀測器中各變量的格式，如采用整型格式定義位移反饋信號(hào)，采用浮點(diǎn)格式定義DA轉(zhuǎn)換芯片的輸入等，有效避免了舍入誤差的帶來的影響，在保證計(jì)算精度的前提下，縮短了程序的運(yùn)行時(shí)間，提高了高階干擾觀測器的響應(yīng)速度。 [0011]本發(fā)明提供的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0012](I)將分子為一階、分母為高階的二項(xiàng)式低通濾波器Q(S)，設(shè)計(jì)為多個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器，并進(jìn)行歐拉變換；
[0013](2)對(duì)基于名義模型逆和二項(xiàng)式低通濾波器的乘積項(xiàng)，進(jìn)行級(jí)聯(lián)展開，得到多個(gè)級(jí)聯(lián)關(guān)系式，并進(jìn)行歐拉變換；
[0014](3)采用整型格式、浮點(diǎn)格式與IQ格式結(jié)合的方式，在定點(diǎn)DSP中實(shí)現(xiàn)高階干擾觀測器；
[0015]高階是指三階或三階以上。
[0016]進(jìn)一步地,步驟(3)包括以下步驟:
[0017](31)采用浮點(diǎn)格式的變量保存運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)字控制量，數(shù)字控制量包括上一個(gè)伺服周期的數(shù)字控制量和上上個(gè)伺服周期的數(shù)字控制量；
[0018](32)將浮點(diǎn)格式的變量進(jìn)行IQ格式轉(zhuǎn)換，并使用轉(zhuǎn)換后的變量，進(jìn)行二項(xiàng)式低通濾波器Q (s)的多個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器的實(shí)現(xiàn)；
[0019](33)采用整型格式的變量保存運(yùn)動(dòng)控制器相應(yīng)的光電編碼器或光柵尺反饋信號(hào)，包括本伺服周期的數(shù)字量和上一個(gè)伺服周期的數(shù)字量；
[0020](34)將整型格式的變量進(jìn)行IQ格式轉(zhuǎn)換，并使用轉(zhuǎn)換后的變量，進(jìn)行基于名義模型逆和二項(xiàng)式低通濾波器的乘積項(xiàng)的級(jí)聯(lián)關(guān)系式的實(shí)現(xiàn)；
[0021](35)將基于名義模型逆和二項(xiàng)式低通濾波器的乘積項(xiàng)，減去二項(xiàng)式低
通濾波器Q(s)，得到IQ格式的數(shù)據(jù)，作為干高階擾觀測器上一個(gè)伺服周期的數(shù)字控制量，將上一個(gè)伺服周期的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)格式。
[0022]根據(jù)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用整型格式保存光電編碼器或光柵尺反饋信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為IQ格式參與相應(yīng)的運(yùn)算。
[0023]進(jìn)一步地，歐拉變換為:

I — ζ~ι
[0024]S =
I，
[0025]其中，T為離散系統(tǒng)的采樣周期。
[0026]進(jìn)一步地，名義模型逆為:
【權(quán)利要求】
1.一種高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將分子為一階、分母為高階的二項(xiàng)式低通濾波器Q(S)，分解為多個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波器，并進(jìn)行歐拉變換； (2)對(duì)基于名義模型逆和所述二項(xiàng)式低通濾波器的乘積項(xiàng)進(jìn)行級(jí)聯(lián)展開，得到多個(gè)級(jí)聯(lián)關(guān)系式，并進(jìn)行歐拉變換； (3)采用整型格式、浮點(diǎn)格式與IQ格式結(jié)合的方式，在所述定點(diǎn)DSP中實(shí)現(xiàn)所述高階干擾觀測器； 所述高階是指三階或三階以上。
2.如權(quán)利要求1所述的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，步驟(3)包括以下步驟: (31)采用浮點(diǎn)格式的變量保存運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)字控制量，所述數(shù)字控制量包括上一個(gè)伺服周期的數(shù)字控制量和上上個(gè)伺服周期的數(shù)字控制量； (32)將所述浮點(diǎn)格式的變量進(jìn)行IQ格式轉(zhuǎn)換，并使用轉(zhuǎn)換后的變量，進(jìn)行所述二項(xiàng)式低通濾波器Q(s)的多個(gè)所述級(jí)聯(lián)的濾波器的實(shí)現(xiàn)； (33)采用整型格式的變量保存所述運(yùn)動(dòng)控制器相應(yīng)的光電編碼器或光柵尺反饋信號(hào)，包括本伺服周期的數(shù)字量和上一個(gè)伺服周期的數(shù)字量； (34)將所述整型格式的變量進(jìn)行IQ格式轉(zhuǎn)換，并使用轉(zhuǎn)換后的變量，進(jìn)行所述基于名義模型逆和所述二項(xiàng)式低通濾波器的乘積項(xiàng)I)的所述級(jí)聯(lián)關(guān)系式的實(shí)現(xiàn)； (35)將所述基于名義模型逆和所述二項(xiàng)式低通濾波器的乘積項(xiàng)ΟΟΟβΛν)，減去所述二項(xiàng)式低通濾波器Q(S)，得到IQ格式的數(shù)據(jù)，作為所述干高階擾觀測器的數(shù)字控制量，并轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)格式。
3.如權(quán)利要求1所述的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述歐拉變換為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述名義模型逆為:

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟(3)中的IQ格式為定點(diǎn)DSP支持的IQ math庫中的_iq類型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述高階為三階。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述二項(xiàng)式低通濾波器的級(jí)聯(lián)關(guān)系為:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高階干擾觀測器在定點(diǎn)DSP中的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述基于名義模型逆和低通濾波器的乘積項(xiàng)為

【文檔編號(hào)】G05D3/20GK103645750SQ201310625834
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】劉超, 熊振華, 吳建華, 汪輝 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)