本發(fā)明屬于機(jī)電產(chǎn)品伺服控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種電機(jī)高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法。
背景技術(shù)：
：民用領(lǐng)域中各種機(jī)器手、數(shù)控機(jī)床等機(jī)電產(chǎn)品，以及軍用領(lǐng)域中各種導(dǎo)引頭、光電瞄準(zhǔn)設(shè)備、雷達(dá)、火炮伺服系統(tǒng)，為完成產(chǎn)品的相應(yīng)功能，均涉及電機(jī)的角度定位控制。當(dāng)機(jī)電產(chǎn)品中電機(jī)的負(fù)載數(shù)值和擾動量值變化較大，以及每次電機(jī)的角度定位指令數(shù)值不是固定指令數(shù)值時，電機(jī)角度定位的動態(tài)過程品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)定位精度將受到較大影響?，F(xiàn)有技術(shù)中機(jī)電產(chǎn)品采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)控制算法，或位置、速度雙環(huán)控制算法以改善產(chǎn)品的性能，在上述三種變化的同時影響下，均不能實現(xiàn)快速、無超調(diào)、高精度定位控制。由于三種變化的同時變化，基于模型的先進(jìn)控制算法不再適用；各種智能控制算法較為復(fù)雜，且當(dāng)上述三種變化的變化率較大時，智能控制算法的調(diào)整能力也會不盡人意。因此，機(jī)電產(chǎn)品的角度定位控制方法決定角度跟蹤響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度，直接影響電機(jī)角度定位效果。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有電機(jī)角度定位控制方法不能實現(xiàn)快速、高精度的缺陷，提供一種電機(jī)高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法，以提高機(jī)電產(chǎn)品控制回路的帶寬，進(jìn)而提高機(jī)電產(chǎn)品的響應(yīng)性能和定位精度。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種電機(jī)高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法，包括以下步驟：步驟一、機(jī)電產(chǎn)品首次進(jìn)入“高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法”，初始化各中間狀態(tài)變量，并將θorgin_1賦值為361°；步驟二、獲取機(jī)電產(chǎn)品原始角度定位指令數(shù)值θorgin_2，及該時刻角度傳感器輸出的角度θout_new(k)；k為機(jī)電產(chǎn)品角度回路離散控制的角度采樣時刻（采樣周期），第1次執(zhí)行步驟二時k=1，第2次執(zhí)行步驟二時k=2，以此類推；將k=1時的θout_new(1)值賦值給上一次角度傳感器輸出的角度θout_old，即θout_old=θout_new(1)；步驟三、判斷原始角度定位指令數(shù)值，若θorgin_2≠θorgin_1，則對所有中間過程狀態(tài)變量進(jìn)行初始化為零，并將θorgin_2的值賦值給θorgin_1，即θorgin_1=θorgin_2；本步驟的目的是當(dāng)檢測到指令θorgin_2發(fā)生變化時，對所有中間過程狀態(tài)變量進(jìn)行初始化為零；由于指令θorgin_2的數(shù)值范圍為圓的角度范圍0°-360°，因此第1次執(zhí)行步驟三時，θorgin_2一定不等于θorgin_1，所有中間過程狀態(tài)變量會進(jìn)行初始化為零；步驟四、對接收到的角度傳感器輸出的角度θout_new(k)數(shù)值按照常規(guī)的異常值剔除算法進(jìn)行異常值剔除處理，即對接收到的θout_new(k)數(shù)值按照常規(guī)的異常值剔除算法進(jìn)行異常值剔除處理；異常值剔除的算法較多，如可以采用在第k時刻和k+1時刻間進(jìn)行5次采樣，得到θout_new(k1)、θout_new(k2)、θout_new(k3)、θout_new(k4)、θout_new(k5)，采用冒泡排序算法將5個數(shù)由大到小進(jìn)行排列，去掉最大值和最小值，對剩下的3個角度求平均或者取中間值，即可以實現(xiàn)對異常值的剔除；步驟五、計算原始角度定位指令誤差θerror，即原始角度定位指令θorgin_2與角度θout_old間的偏差：θerror=θorgin_2-θout_old；步驟六、通過f函數(shù)對步驟五獲取的原始角度定位指令誤差θerror進(jìn)行誤差量規(guī)劃，以一定的加速度數(shù)值對誤差量進(jìn)行追蹤，實現(xiàn)在零誤差至1/2θerror時勻加速跟蹤，在1/2θerror至θerror間勻減速跟蹤；即將θerror輸入式（1）、（2）中求出k時刻規(guī)劃后的偏差信號θe1(k)，（1）（2）式（1）的輸入量為θerror、r、h、t，輸出量為規(guī)劃后的偏差信號，式中，θerror為原始角度定位指令誤差、r為加速度因子，h為濾波因子，t為積分步長，其它參數(shù)均為中間變量；步驟七、通過步驟六獲取規(guī)劃后的偏差信號θe1(k)，生成新的電機(jī)轉(zhuǎn)動定位重構(gòu)指令角度：θnew(k)=θout_old+θe1(k)，并計算重構(gòu)指令誤差：θerror_new(k)=θnew(k)-θout_new(k)；步驟八、通過式（3）和（4）對步驟七得到的重構(gòu)指令誤差θerror_new(k)進(jìn)行非線性誤差處理，得到電機(jī)轉(zhuǎn)動定位控制量信號uc（k）：（3）（4）式中，e=θerror_new(k)為表示誤差信號，δ為線性段的區(qū)間長度，，uc（k）為非線性誤差處理后的電機(jī)轉(zhuǎn)動定位控制量信號，kif為積分增益，kpf為比例增益，kdf為微分增益，其它參數(shù)均為中間變量；步驟九、將步驟八得到的uc（k）信號傳送至功率驅(qū)動器件，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動定位。所述步驟二中的角度傳感器可以是旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤、電編碼器、磁編碼器、電位器，可以根據(jù)實際情況，具體選擇市售產(chǎn)品。本發(fā)明的方法可以用于民用領(lǐng)域中各種機(jī)器手、數(shù)控機(jī)床等機(jī)電產(chǎn)品，以及軍用領(lǐng)域中各種導(dǎo)引頭、光電瞄準(zhǔn)設(shè)備、雷達(dá)、火炮伺服系統(tǒng)中電機(jī)的角度定位控制。高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制的關(guān)鍵在于從原始角位置θout_old以最短時間無超調(diào)到達(dá)指令數(shù)值θorgin_2要求的角度，因此，本發(fā)明對原始角度定位指令誤差進(jìn)行誤差量規(guī)劃，以r加速度數(shù)值對誤差量θerror進(jìn)行追蹤，實現(xiàn)在零誤差至1/2θerror時勻加速跟蹤，在1/2θerror至θerror間勻減速跟蹤。式（1）誤差規(guī)劃f函數(shù)的輸入量為θerror、r、h、t，輸出量為規(guī)劃后的偏差信號，其中，θerror為原始角度誤差、r為加速度因子，h為濾波因子，t為積分步長；其它參數(shù)均為中間變量。需根據(jù)不同機(jī)電產(chǎn)品調(diào)整加速度因子r、濾波因子h和積分步長t。規(guī)劃后的偏差信號θe1(k)，生成新的電機(jī)轉(zhuǎn)動定位重構(gòu)指令θnew(k)=θout_old+θe1(k)，并計算重構(gòu)指令誤差θerror_new(k)=θnew(k)-θout_new(k)。從重構(gòu)指令誤差θerror_new(k)可以看出，規(guī)劃和重構(gòu)避免了機(jī)電系統(tǒng)突然收到突變指令后，帶來的突變大誤差θerror對機(jī)電系統(tǒng)造成的突變大力矩和轉(zhuǎn)動超調(diào)。本發(fā)明的有益效果是：傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品角度回路為線性控制器，采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法可以使角度回路動態(tài)響應(yīng)速度大幅提升，并實現(xiàn)零超調(diào)；提升角位置回路對各種擾動的抑制能力方面，相同擾動條件下轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法相對傳統(tǒng)控制方法定位精度更優(yōu)；本發(fā)明采用非線性誤差反饋可以獲得比線性反饋更小的穩(wěn)態(tài)誤差和更快的擾動響應(yīng)；采用在原點附近具有線性段的連續(xù)冪次函數(shù)，形成非線性誤差反饋避免了由于符號函數(shù)造成的高頻顫振現(xiàn)象的出現(xiàn)。附圖說明圖1為本發(fā)明控制方法與傳統(tǒng)控制方法電機(jī)轉(zhuǎn)動定位過程跟蹤示意圖；圖中，θerror為原始角度定位指令誤差，θorgin_2為原始角度定位指令數(shù)值，θout_new(k)為k時刻（采樣周期）角度傳感器輸出的角度，θnew(k)為k時刻（采樣周期）重構(gòu)指令角度，θout_old為上一次角度傳感器輸出的角度。圖2為本發(fā)明控制方法對原始角度誤差規(guī)劃后形成的速度值示意圖；圖中，t為時間,單位為秒（s），v°為原始角度誤差規(guī)劃后的速度值（即每秒變化量）。圖3為本發(fā)明規(guī)劃后從當(dāng)前位置至目標(biāo)位置過渡（定位）過程示意圖；圖中，t為時間，單位為秒（s）。圖4為本發(fā)明實施例機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動定位信息流程圖。圖5為本發(fā)明實施例1使用傳統(tǒng)超前控制方法對機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行定位、指令定位角度為5°時定位信息記錄圖，縱軸代表電機(jī)轉(zhuǎn)動角度、橫軸代表轉(zhuǎn)動時間、曲線代表角度傳感器輸出的角度，定位誤差＜0.1°、超調(diào)量20%、過渡過程時間0.16s。圖6為本發(fā)明實施例1使用傳統(tǒng)超前控制方法對機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動角度定位、指令定位角度為10°時定位信息記錄圖，縱軸代表電機(jī)轉(zhuǎn)動角度、橫軸代表轉(zhuǎn)動時間、曲線代表角度傳感器輸出的角度，定位誤差＜0.1°、超調(diào)量32%、過渡過程時間0.27s。圖7為本發(fā)明實施例1使用傳統(tǒng)超前控制方法對機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動角度定位、指令定位角度為15°時定位信息記錄圖，縱軸代表電機(jī)轉(zhuǎn)動角度、橫軸代表轉(zhuǎn)動時間、曲線代表角度傳感器輸出的角度，定位誤差＜0.1°、超調(diào)量37%、過渡過程時間0.36s。圖8為本發(fā)明實施例1使用本發(fā)明控制方法對機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行定位、指令定位角度為5°時定位信息記錄圖，縱軸代表電機(jī)轉(zhuǎn)動角度、橫軸代表轉(zhuǎn)動時間、曲線代表角度傳感器輸出的角度，定位誤差＜0.1°、超調(diào)量2.0%、過渡過程時間0.16s。圖9為本發(fā)明實施例1使用本發(fā)明控制方法對機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行定位、指令定位角度為10°時定位信息記錄圖，縱軸代表電機(jī)轉(zhuǎn)動角度、橫軸代表轉(zhuǎn)動時間、曲線代表角度傳感器輸出的角度，定位誤差＜0.1°、超調(diào)量2.1%、過渡過程時間0.18s。圖10為本發(fā)明實施例1使用本發(fā)明控制方法對機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行定位、指令定位角度為15°時定位信息記錄圖，縱軸代表電機(jī)轉(zhuǎn)動角度、橫軸代表轉(zhuǎn)動時間、曲線代表角度傳感器輸出的角度，定位誤差＜0.1°、超調(diào)量1.5%、過渡過程時間0.22s。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳盡描述，實施例中未注明的技術(shù)或產(chǎn)品，均為現(xiàn)有技術(shù)或可以通過購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。實施例1:實施對象為某機(jī)電產(chǎn)品，采用力矩電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)攜帶負(fù)載在各種擾動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，電編碼器角度傳感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)動過程的實時轉(zhuǎn)動角度，通過本發(fā)明方法產(chǎn)生控制信息驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動定位，其定位信息流程如附圖4所示。本案例采用的電機(jī)高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法包括以下步驟：步驟一、機(jī)電產(chǎn)品首次進(jìn)入“高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法”，初始化各中間狀態(tài)變量，并將θorgin_1賦值為361°；步驟二、獲取機(jī)電產(chǎn)品原始角度定位指令數(shù)值θorgin_2，及該時刻角度傳感器輸出的角度θout_new(k)；k為機(jī)電產(chǎn)品角度回路離散控制的角度采樣時刻（采樣周期），第1次執(zhí)行步驟二時k=1，第2次執(zhí)行步驟二時k=2，以此類推；將k=1時的θout_new(1)值賦值給上一次角度傳感器輸出的角度θout_old，即θout_old=θout_new(1)；步驟三、判斷原始角度定位指令數(shù)值，若θorgin_2≠θorgin_1，則對所有中間過程狀態(tài)變量進(jìn)行初始化為零，并將θorgin_2的值賦值給θorgin_1，即θorgin_1=θorgin_2；本步驟的目的是當(dāng)檢測到指令θorgin_2發(fā)生變化時，對所有中間過程狀態(tài)變量進(jìn)行初始化為零；由于指令θorgin_2的數(shù)值范圍為圓的角度范圍0°-360°，因此第1次執(zhí)行步驟三時，θorgin_2一定不等于θorgin_1，所有中間過程狀態(tài)變量會進(jìn)行初始化為零；步驟四、對接收到的角度傳感器輸出的角度θout_new(k)數(shù)值按照常規(guī)的異常值剔除算法進(jìn)行異常值剔除處理，即對接收到的θout_new(k)數(shù)值按照常規(guī)的異常值剔除算法進(jìn)行異常值剔除處理；采用在第k時刻和k+1時刻間進(jìn)行5次采樣，得到θout_new(k1)、θout_new(k2)、θout_new(k3)、θout_new(k4)、θout_new(k5)，采用冒泡排序算法將5個數(shù)由大到小進(jìn)行排列，去掉最大值和最小值，對剩下的3個角度求平均或者取中間值，即實現(xiàn)對異常值的剔除；步驟五、計算原始角度定位指令誤差θerror，即原始角度定位指令θorgin_2與角度θout_old間的偏差：θerror=θorgin_2-θout_old；步驟六、通過f函數(shù)對步驟五獲取的原始角度定位指令誤差θerror進(jìn)行誤差量規(guī)劃，以一定的加速度數(shù)值對誤差量進(jìn)行追蹤，實現(xiàn)在零誤差至1/2θerror時勻加速跟蹤，在1/2θerror至θerror間勻減速跟蹤；即將θerror輸入式（1）、（2）中求出k時刻規(guī)劃后的偏差信號θe1(k)，（1）（2）式（1）的輸入量為θerror、r、h、t，輸出量為規(guī)劃后的偏差信號，式中，θerror為原始角度定位指令誤差、r為加速度因子，h為濾波因子，t為積分步長，其它參數(shù)均為中間變量；步驟七、通過步驟六獲取規(guī)劃后的偏差信號θe1(k)，生成新的電機(jī)轉(zhuǎn)動定位重構(gòu)指令角度：θnew(k)=θout_old+θe1(k)，并計算重構(gòu)指令誤差：θerror_new(k)=θnew(k)-θout_new(k)；步驟八、通過式（3）和（4）對步驟七得到的重構(gòu)指令誤差θerror_new(k)進(jìn)行非線性誤差處理，得到電機(jī)轉(zhuǎn)動定位控制量信號uc（k）：（3）（4）式中，e=θerror_new(k)為表示誤差信號，δ為線性段的區(qū)間長度，，uc（k）為非線性誤差處理后的電機(jī)轉(zhuǎn)動定位控制量信號，kif為積分增益，kpf為比例增益，kdf為微分增益，其它參數(shù)均為中間變量；步驟九、將步驟八得到的uc（k）信號傳送至功率驅(qū)動器件，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動定位。針對本案例，對實施結(jié)果進(jìn)行了測試，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)數(shù)值，并與采用傳統(tǒng)超前控制方法的結(jié)果進(jìn)行對比，具體測試條件如下：位置指令：每次選取0°-360°間任意數(shù)值；轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)：攜帶的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量變化0-15間任意數(shù)值。完成測試環(huán)境搭建，依據(jù)上述九個步驟進(jìn)行控制器編寫、參數(shù)調(diào)試。在傳統(tǒng)超前控制方法和本發(fā)明控制方法下，分別對機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動定位的角度為5°、10°、15°時，記錄的定位信息圖如附圖5-10、記錄的定位信息如下表：從上表和附圖5-10可以看出，采用本方法可顯著提高機(jī)電產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)動定位的響應(yīng)性能和定位精度。實施例2:實施對象為碼垛機(jī)器手產(chǎn)品，采用無刷電機(jī)驅(qū)動，增量編碼器測量機(jī)械手轉(zhuǎn)動過程的實時轉(zhuǎn)動角度，碼垛機(jī)器手完成貨物抓取后的碼垛功能，通過本發(fā)明方法產(chǎn)生控制信息驅(qū)動電機(jī)帶動機(jī)器手轉(zhuǎn)動定位，其定位信息流程如附圖4所示，所采用的電機(jī)高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法具體步驟與實施例1相同。針對本案例，對實施結(jié)果進(jìn)行了測試，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)數(shù)值，并與采用傳統(tǒng)超前控制方法的結(jié)果進(jìn)行對比，具體測試條件如下：機(jī)械手轉(zhuǎn)動角度為設(shè)定固定值做往復(fù)轉(zhuǎn)動：指令值為+θ或-θ；機(jī)械手抓取的貨物重量為固定值：mkg；在上述條件下記錄機(jī)械手碼垛的效率。完成測試環(huán)境搭建，依據(jù)本發(fā)明電機(jī)高速高精度轉(zhuǎn)動規(guī)劃定位控制方法的九個步驟進(jìn)行控制器編寫、參數(shù)調(diào)試。在傳統(tǒng)超前控制方法和本發(fā)明控制方法下，分別對機(jī)械手的碼垛效率進(jìn)行記錄，得到對比結(jié)果如下表：實施例3：實施對象為某高精度伺服系統(tǒng)產(chǎn)品，采用交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度傳感器，為實現(xiàn)高精度定位控制，傳統(tǒng)控制方法需采用三環(huán)控制方式，半案例采用本發(fā)明方法產(chǎn)生控制信息驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動定位，僅需單位置環(huán)調(diào)整即可實現(xiàn)更好的動態(tài)過程和精度，其定位信息流程如附圖4所示，所采用的電機(jī)轉(zhuǎn)動定位控制方法具體步驟與實施例1相同。針對本案例，對實施結(jié)果進(jìn)行了測試，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)數(shù)值，并與采用傳統(tǒng)超前控制方法的結(jié)果進(jìn)行對比，具體測試條件如下：項目控制系統(tǒng)調(diào)試時間控制效果超前控制方法三環(huán)調(diào)整時間3.5天，人員成本較高無超調(diào)時，定位過渡過程時間1.8s本發(fā)明方法單環(huán)調(diào)整時間1.5天，人員成本較低無超調(diào)時，定位過渡過程時間1.1s上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作了說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容做出各種變化，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12