用于伺服電機(jī)電流環(huán)的閉環(huán)擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于伺服電機(jī)電流環(huán)的閉環(huán) 擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于對(duì)控制精度要求很高的工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、機(jī) 器人、陀螺穩(wěn)定光電成像設(shè)備等，其控制系統(tǒng)一般由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成。其中電 流環(huán)以電機(jī)輸出電流為反饋信號(hào)構(gòu)建電流閉環(huán)控制環(huán)路，使電機(jī)輸出電流跟蹤設(shè)定的期望 電流，避免了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電機(jī)輸出電流的影響，提高了電機(jī)的響應(yīng)速度，減小了電機(jī)參 數(shù)攝動(dòng)、外部負(fù)載變化等干擾因素對(duì)伺服電機(jī)控制性能的影響。
[0003] 目前電流環(huán)普遍采用比例積分（PI)控制器，閉環(huán)控制帶寬設(shè)計(jì)在1000Hz以上，通 過高帶寬設(shè)計(jì)保證對(duì)電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)、外部負(fù)載變化等干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。
[0004] 然而，根據(jù)自動(dòng)控制基本原理，高帶寬設(shè)計(jì)必然造成閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的下降，降 低了電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)較大等情況下的控制性能魯棒性；此外，電流環(huán)帶寬越高，電機(jī)電流輸出 受傳感器和電路噪聲的影響就越大，電流輸出與期望電流間的偏差也越大，從而降低了伺 服電機(jī)的控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于伺服電機(jī)電流環(huán)的閉環(huán)擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償 方法，該方法在保證了電流環(huán)對(duì)干擾抑制能力的同時(shí)，能夠降低對(duì)噪聲的敏感性，提高伺服 電機(jī)的控制精度。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的用于伺服電機(jī)電流環(huán)的閉環(huán)擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償方法 包括下述步驟：
[0007] 一、實(shí)時(shí)采集電流閉環(huán)控制環(huán)路中反饋回路AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的伺服電機(jī)電流數(shù) 字信號(hào)iss:并將其送入閉環(huán)逆模型，根據(jù)閉環(huán)逆模型公式（1)計(jì)算得到包含擾動(dòng)影響的等 效期望電流issl;
[0009] 其中Gynv(s)為閉環(huán)逆模型頻域傳遞函數(shù)，Gjs)為電流閉環(huán)控制環(huán)路的頻域傳遞 函數(shù)；
[0010] 二、將步驟一得到的等效期望電流iss i與修正后的期望電流i。相減得到擾動(dòng)的等 效電流估計(jì)，并將其送入補(bǔ)償器；由補(bǔ)償器輸出期望電流的修正值
[0012] 其中補(bǔ)償器為一階低通濾波器，Q(s)為其頻域傳遞函數(shù)；
[0014] 式（3)中&為補(bǔ)償器帶寬，s為拉普拉斯算子；
[0015] 三、利用步驟二得到的期望電流的修正值i"對(duì)期望電流i ^進(jìn)行修正得到修正后 的期望電流i。；
[0016] ic= i r- i rx (4)
[0017] 四、將步驟三得到的修正后的期望電流i。作為電流閉環(huán)控制環(huán)路的輸入，對(duì)伺服 電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制；
[0018] 其中期望電流仁和修正后的期望電流i。的初始值為0。
[0019] 所述電流閉環(huán)控制環(huán)路帶寬&為200~250Hz，補(bǔ)償器帶寬為％，fg= 0.1 f B。
[0020] 所述電流閉環(huán)控制環(huán)路中伺服電機(jī)的頻域傳遞函數(shù)為G(s)，
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊增益為K"，K"= 4. 5 ;數(shù)字控制器采用PI控制，其頻域傳遞函數(shù)為C(s)，
[0021] 所述補(bǔ)償器采用20Hz帶寬的一階低通濾波器。
[0022] 本發(fā)明首先采用一個(gè)低帶寬電流閉環(huán)控制環(huán)路對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行伺服控制，其帶寬 不高于250Hz ;然后在該回路之外引入擾動(dòng)觀測(cè)和補(bǔ)償器，對(duì)由電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)、供電電壓不 穩(wěn)等原因造成的干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和補(bǔ)償，得到期望電流的修正值，并利用該修正值對(duì)期 望電流進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。
[0023] 電流閉環(huán)控制環(huán)路中伺服電機(jī)和數(shù)字控制器的頻域傳遞函數(shù)分別為G(s)何 C (s)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)增益為U則電流閉環(huán)控制環(huán)路的頻域傳遞函數(shù)為G。(s);
[0025] 由于擾動(dòng)觀測(cè)和補(bǔ)償?shù)念l段范圍遠(yuǎn)小于電流環(huán)閉環(huán)帶寬，因此閉環(huán)逆模型可近似 為 1，即 Gc-inv(s) ^ 1。
[0026] 可以推導(dǎo)出采用閉環(huán)擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償后的電機(jī)電流輸出表達(dá)式：
[0028] 電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)引起的模型變化記為Λ G(s)，供電電壓變化可以用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型的 攝動(dòng)來表示，記為Λ U由上式可見，若Q(s) = 1，則電機(jī)電流輸出if ip不受模型攝動(dòng) Λ G(s)、供電電壓變化Λ心和電噪聲η ,的影響。
[0029] 為保證算法推導(dǎo)過程中的近似不影響算法的可靠性，Q(s)設(shè)計(jì)為一階低通濾波 器，其中fQ為補(bǔ)償器帶寬。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是：
[0032] 1.通過對(duì)伺服電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)等擾動(dòng)的實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)較低帶寬的 電流環(huán)控制器，同時(shí)滿足電機(jī)響應(yīng)的快速性和對(duì)擾動(dòng)抑制能力的要求，避免了高帶寬電流 環(huán)存在的穩(wěn)定裕度低的問題。在保證了伺服電機(jī)響應(yīng)速度的同時(shí)，具有更高的穩(wěn)定裕度。
[0033] 2.大幅降低了電流環(huán)對(duì)電噪聲的敏感性，伺服電機(jī)電流輸出受電噪聲的影響較 小，避免了高帶寬電流環(huán)由于響應(yīng)電噪聲等虛假信號(hào)而造成的電機(jī)控制精度下降的現(xiàn)象。
[0034] 3.利用閉環(huán)系統(tǒng)模型精度優(yōu)于控制對(duì)象（這里是伺服電機(jī)）開環(huán)模型的原理，使 用電流閉環(huán)回路的逆模型進(jìn)行擾動(dòng)估計(jì)，估計(jì)精度高，補(bǔ)償效果好。
[0035] 4.電流閉環(huán)回路的逆模型可以近似為單位增益1，使得算法的實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單。
【附圖說明】
[0036] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037] 圖1是本發(fā)明的用于伺服電機(jī)電流環(huán)的閉環(huán)擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償方法方框圖。
[0038] 圖2是使用本發(fā)明控制的伺服電機(jī)電流階躍曲線圖。
[0039] 圖3是使用1000Hz高帶寬電流環(huán)控制的伺服電機(jī)電流階躍曲線圖。
[0040] 圖4是存在電噪聲干擾下，使用本發(fā)明控制的伺服電機(jī)電流階躍曲線圖。
[0041 ] 圖5是存在電噪聲干擾下，使用1000Hz高帶寬電流環(huán)控制的伺服電機(jī)電流階躍曲 線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的電流閉環(huán)控制環(huán)路包括數(shù)字控制器，DA轉(zhuǎn)換模塊，電機(jī)驅(qū) 動(dòng)模塊，電流傳感器和AD轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)字控制器為DSP芯片TMS320F28335, DA轉(zhuǎn)換模塊 采用16位分辨率的DAC8822,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用SA60,伺服電機(jī)使用maxon有刷直流電機(jī) RE60,電流傳感器使用霍爾電流傳感器ACS714, AD轉(zhuǎn)換模塊采用16位分辨率的maxl301。 本發(fā)明在電流閉環(huán)控制環(huán)路之外引入閉環(huán)逆模型和補(bǔ)償器作為擾動(dòng)觀測(cè)器，實(shí)時(shí)估計(jì)由伺 服電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)、供電電壓不穩(wěn)、電流傳感器噪聲等因素造成的電流輸出干擾，并通過補(bǔ)償 器進(jìn)行補(bǔ)償。閉環(huán)逆模型和補(bǔ)償器均在作為數(shù)字控制器的DSP芯片中以程序代碼實(shí)現(xiàn)。
[0043] 本方明的具