本發(fā)明涉及一種基于輸出反饋反步控制的壓電電機(jī)死區(qū)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的壓電電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有對(duì)于輸出信號(hào)的檢測(cè)誤差，這可能會(huì)導(dǎo)致控制變量的估計(jì)誤差。為了避免這種情況,我們現(xiàn)在提出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制方案。此控制系統(tǒng)能有效的增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對(duì)于不確定性的影響程度。因此電機(jī)的位置與速度控制可以獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于輸出反饋反步控制的壓電電機(jī)死區(qū)控制系統(tǒng)及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于輸出反饋反步控制的壓電電機(jī)死區(qū)控制系統(tǒng)，包括一基座以及設(shè)于基座上的壓電電機(jī)；所述壓電電機(jī)電機(jī)一側(cè)輸出軸與一光電編碼器相連接，另一側(cè)輸出軸與一飛輪慣性負(fù)載相連接；所述飛輪慣性負(fù)載的輸出軸經(jīng)一聯(lián)軸器與一力矩傳感器相連接；所述光電編碼器的信號(hào)輸出端、所述力矩傳感器的信號(hào)輸出端以及所述壓電電機(jī)的輸入端分別與一控制系統(tǒng)相連。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括一壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路；所述壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路包括一控制芯片電路和一驅(qū)動(dòng)芯片電路；所述光電編碼器的信號(hào)輸出端與所述控制芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制芯片電路的輸出端與所述驅(qū)動(dòng)芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)芯片電路；所述驅(qū)動(dòng)芯片電路的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端分別與所述壓電電機(jī)的相應(yīng)輸入端相連接。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述壓電電機(jī)、光電編碼器、力矩傳感器分別經(jīng)壓電電機(jī)固定支架、光電編碼器固定支架、力矩傳感器固定支架固定于所述基座上。

進(jìn)一步的，還提供一種基于輸出反饋反步控制的壓電電機(jī)死區(qū)控制系統(tǒng)的控制方法，所述控制系統(tǒng)內(nèi)搭載一反步自適應(yīng)控制器，通過(guò)反步控制方法來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，再通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度間接控制電機(jī)的速度，并通過(guò)李亞普諾夫穩(wěn)定性函數(shù)獲得反饋控制參數(shù)的強(qiáng)健性方法，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，記總集不確定項(xiàng)的邊界為已知，|d(t)|≤ρ，ρ為一個(gè)預(yù)設(shè)正常數(shù)項(xiàng)，采用反饋控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制：

記非線性系統(tǒng)如下：

其中，yi是已知的連續(xù)的線性非線性失真，d(t)表示有界外部擾動(dòng)，參數(shù)ai是未常數(shù)，控制增益b是常數(shù)，v是控制輸入，u(v)表示死區(qū)非線性函數(shù)；

其中，br≥0,bl≤0和m>0是常數(shù)，v是輸入，u是輸出；

u(t)＝mv(t)+d1(v(t))

其中，

則d1(v(t))是有界的；

記：

其中，β＝bm和d(t)的影響是由于兩者外部擾動(dòng)和bd1(v(t))，令d(t)為干擾項(xiàng)，并使用d表示其界限；

則：

其中，a＝[-a1,-a2,…,-ar]^t，y＝[y1，y2，…，yr]^t；

反步自適應(yīng)控制方法如下：

α1＝-c1z1

參數(shù)更新方法如下：

其中，不確定參數(shù)b和m使得β＞0；期望的軌跡yr(t)和其(n-1)階導(dǎo)數(shù)是已知和有界；閉環(huán)在環(huán)路中的所有信號(hào)都是穩(wěn)定均勻的最終有界；跟蹤誤差x(t)-yr(t)在瞬態(tài)周期期間是可調(diào)的；

limt→∞x(t)-yr(t)＝0或limt→∞|x(t)-yr(t)|-δ1＝0對(duì)于任意指定的邊界δ1＝0；

對(duì)于ci,i＝1,…,n是正設(shè)計(jì)參數(shù)，γ和η是兩個(gè)正設(shè)計(jì)參數(shù)，γ是一個(gè)正定矩陣，和是e＝1/β、a和d的估計(jì)，δi(i＝1,…,n)是正設(shè)計(jì)參數(shù)，q＝round{(n-i+2)/2}，round{x}表示x的元素到最接近的整數(shù)。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明所提出的一種基于輸出反饋反步控制的壓電電機(jī)死區(qū)控制系統(tǒng)及方法，使用改進(jìn)反步控制器的電機(jī)伺服系統(tǒng)，傳統(tǒng)反步控制器有不連續(xù)函數(shù)參與控制，這可能會(huì)導(dǎo)致顫振。為了減少顫振的發(fā)生，本發(fā)明使用了改進(jìn)算法有效的增進(jìn)系統(tǒng)的控制效能，并進(jìn)一步減少系統(tǒng)對(duì)于不確定性的影響程度，提高了控制的準(zhǔn)確性，可以獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。此外，該裝置設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，制造成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中的控制電路原理圖。

【編號(hào)說(shuō)明】：1-光電編碼器，2-光電編碼器固定支架，3-壓電電機(jī)輸出軸，4-壓電電機(jī)，5-壓電電機(jī)固定支架，6-壓電電機(jī)輸出軸，7-飛輪慣性負(fù)載，8-飛輪慣性負(fù)載輸出軸，9-彈性聯(lián)軸器，10-力矩傳感器，11-力矩傳感器固定支架，12-基座，13-控制芯片電路，14-驅(qū)動(dòng)芯片電路，15、16、17-光電編碼器輸出的a、b、z相信號(hào)線，18、19、20、21-驅(qū)動(dòng)芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)線，22-驅(qū)動(dòng)芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)線，23、24、25、26、27、28-控制芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)芯片電路的信號(hào)線，29-壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說(shuō)明。

本發(fā)明提出一種基于輸出反饋反步控制的壓電電機(jī)死區(qū)控制系統(tǒng)，如圖1所示，括基座12和設(shè)于基座12上的壓電電機(jī)4，壓電電機(jī)4一側(cè)輸出軸3與光電編碼器1相連接，另一側(cè)輸出軸6與飛輪慣性負(fù)載7相連接，飛輪慣性負(fù)載7的輸出軸8經(jīng)彈性聯(lián)軸器9與力矩傳感器10相連接，光電編碼器1的信號(hào)輸出端、力矩傳感器10的信號(hào)輸出端以及壓電電機(jī)的輸入端分別接至控制系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，壓電電機(jī)4、光電編碼器1、力矩傳感器10分別經(jīng)壓電電機(jī)固定支架5、光電編碼器固定支架2、力矩傳感器固定支架11固定于所述基座12上。

進(jìn)一步的，如圖2所示，控制系統(tǒng)包括壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路29，壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路29包括控制芯片電路13和驅(qū)動(dòng)芯片電路14；光電編碼器1的信號(hào)輸出端與控制芯片電路13的相應(yīng)輸入端相連接，控制芯片電路13的輸出端與驅(qū)動(dòng)芯片電路14的相應(yīng)輸入端相連接，以驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)芯片電路14，驅(qū)動(dòng)芯片電路14的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)輸出端分別與壓電電機(jī)4的相應(yīng)輸入端相連接。驅(qū)動(dòng)芯片電路14產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)半橋電路調(diào)節(jié)信號(hào)，對(duì)壓電電機(jī)輸出a、b兩相pwm的頻率、相位及通斷進(jìn)行控制。通過(guò)開(kāi)通及關(guān)斷pwm波的輸出來(lái)控制壓電電機(jī)的啟動(dòng)和停止運(yùn)行；通過(guò)調(diào)節(jié)輸出的pwm波的頻率及兩相的相位差來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

進(jìn)一步的，該基于輸出反饋反步控制的壓電電機(jī)死區(qū)控制系統(tǒng)為一壓電電機(jī)反步控制器伺服控制系統(tǒng)，由反步控制器和電機(jī)組成；為了避免電機(jī)中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項(xiàng)，使用反步控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在本實(shí)施例中，將總集不確定項(xiàng)的邊界假設(shè)為已知，如|d(t)|≤ρ，ρ為一個(gè)給定的正常數(shù)項(xiàng)。為了避免電機(jī)中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項(xiàng)，使用反饋控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制。

將具有未知區(qū)域的非線性系統(tǒng)記為：

其中，yi是已知的連續(xù)的線性非線性失真，d(t)表示有界外部擾動(dòng)，參數(shù)ai是未知常數(shù)和控制增益b是未知常數(shù)，v是控制輸入，u(v)表示死區(qū)非線性函數(shù)；

其中，br≥0,bl≤0和m>0是常數(shù)，v是輸入，u是輸出。

u(t)＝mv(t)+d1(v(t))(2.3)

其中，

顯然，d1(v(t))是有界的。

從模型(2.2)的結(jié)構(gòu)(2.3)，(2.1)變?yōu)?/p>

其中，β＝bm和d(t)的影響是由于兩者外部擾動(dòng)和bd1(v(t))。我們將d(t)稱(chēng)為“干擾”項(xiàng)的簡(jiǎn)單表示和使用d表示其界限。

進(jìn)一步的，以下面的形式重寫(xiě)公式(2.5)：

其中，a＝[-a1,-a2,…,-ar]^t和y＝[y1，y2，…，yr]^t。

進(jìn)一步的，為了制定控制規(guī)律，做出以下假設(shè)。

假設(shè)1.不確定參數(shù)b和m使得β＞0。

假設(shè)2.期望的軌跡yr(t)和其(n-1)階導(dǎo)數(shù)是已知和有界。

在本實(shí)施例中，控制目標(biāo)是設(shè)計(jì)反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制規(guī)律：

·閉環(huán)在環(huán)路中的所有信號(hào)都是穩(wěn)定均勻的最終有界；

·跟蹤誤差x(t)-yr(t)在瞬態(tài)周期期間是可調(diào)的。

在本實(shí)施例中，通過(guò)明確選擇設(shè)計(jì)參數(shù)和limt→∞x(t)-yr(t)＝0或limt→∞|x(t)-yr(t)|-δ1＝0對(duì)于任意指定的邊界δ1＝0。

在本實(shí)施例中，表2.1中ci,i＝1,…,n是正設(shè)計(jì)參數(shù)，γ和η是兩個(gè)正設(shè)計(jì)參數(shù)，γ是一個(gè)正定矩陣，和是e＝1/β，a和d的估計(jì)，δi(i＝1,…,n)是正設(shè)計(jì)參數(shù)，q＝round{(n-i+2)/2}，round{x}表示x的元素到最接近的整數(shù)。

在本實(shí)施例中，自適應(yīng)控制律如下：

α1＝-c1z1(2.7)

在本實(shí)施例中，參數(shù)更新法如下：

進(jìn)一步的，通過(guò)反步自適應(yīng)控制器采用反步控制算法來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，再通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度間接控制電機(jī)的速度。由李亞普諾夫穩(wěn)定性定理獲得反饋控制參數(shù)的強(qiáng)健性學(xué)習(xí)法則。反饋?zhàn)赃m應(yīng)將使用來(lái)估測(cè)控制系統(tǒng)的輸出項(xiàng)，用李亞普諾夫函數(shù)確保所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在本實(shí)施例中，控制系統(tǒng)的硬件電路包括壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動(dòng)芯片電路，反步自適應(yīng)控制器搭載于控制芯片電路中。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。