基于状态观测器的超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108988682A(43)申请公布日2018.12.11(21)申请号201811077079.2(22)申请日2018.09.15(71)申请人闽江学院地址350108福建省福州市闽侯县上街镇溪源宫路200号(72)发明人傅平(74)专利代理机构福州元创专利商标代理有限公司35100代理人蔡学俊(51)Int.Cl.H02N2/14(2006.01)权利要求书6页说明书12页附图1页(54)发明名称基于状态观测器的超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法(57)摘要本发明涉及一种基于状态观测器的超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，提供一种超声波电机包括控制系统、基座和设于基座上的超声波电机，其特征在于：所述超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统；所述控制系统包括一基于状态观测器的轮廓控制器。本发明在控制器的设计上也跟踪误差最小为其调整函数，从而能获得更好的控制效能，控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。CN108988682ACN108988682A权利要求书1/6页1.一种基于状态观测器的超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，提供一种超声波电机包括控制系统、基座和设于基座上的超声波电机，其特征在于：所述超声波电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统；所述控制系统包括一基于状态观测器的轮廓控制器。2.根据权利要求1所述的一种基于状态观测器的超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，其特征在于：所述控制系统包括超声波电机驱动控制电路，所述超声波电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路，所述光电编码器的信号输出端与所述控制芯片电路的相应输入端相连接，所述控制芯片电路的输出端与所述驱动芯片电路的相应输入端相连接，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。3.根据权利要求1所述的一种基于状态观测器的超声波电机伺服控制系统轮廓控制方法，其特征在于：该方法具体实现为：超声波电机驱动系统的动态方程可以写为：其中Ap＝-B/J,BP＝J/Kt＞0,CP＝-1/J；B为阻尼系数，J为转动惯量，Kt为电流因子，Tf(v)为摩擦阻力力矩，TL为负载力矩，U(t)是电机的输出力矩，θr(t)为通过光电编码器测量得到的位置信号；x是电机转子的位移，表示加速度，D是超声波电机的线性摩擦系数；为通过计算得到的速度信号，为通过计算得到的加速度信号；考虑一个由x轴和y轴表示的二维坐标，在轮廓误差模型的基础上，将轮廓误差εc定义为法线方向，记为εc＝-sinφ·ex+cosφ·ey(1)相应的就具有切线方向分量，记为εt＝cosφ·ex+sinφ·ey(2)其中，ex和ey表示x轴和y轴的轴向跟踪误差；φ为一个随时间变化的量，用φ(t)表示；并且根据工作坐标系，通过关系式将物理坐标(x,y)中的轴向跟踪误差转换为任务坐标(εc,εt)，关系式如下：可以用矩阵表示为：εp＝Tep(4)TT其中εp＝[εcεt]表示轮廓误差向量；ep＝[exey]表示系统的跟踪误差向量；T表示变换矩阵；T满足单一性，可以表述为：TT＝T和T-1＝T(5)基于单一性质，公式(4)其相反式写为：ep＝Tεp(6)对方程(4)和(6)分别求一阶导数和二阶导数，其中一阶导数为：2CN108988682A权利要求书2/6页二阶导数为：考虑到φ(t)的时变特性，和可以进一步推导为：和轮廓控制器设计：设定x和y轴相关的变量或参数简单地用指数i表示，其中i＝1和2分别表示x和y；根据牛顿第二定律，系统的运动方程可写为：TTT其中p＝[p1p2]和u＝[u1u2]分别表示位置矢量和输入矢量；fr＝[fr1fr2]表示摩擦力矢量；M表示惯性矩阵，由于多级系统的非耦合性质；然后根据滑动摩擦模型，fr可写为：T其中z＝[z1z2]表示直立变形状态向量；是速度矢量；同时，类M，Σ0，Σ1和Σ2是三个对角矩阵：z是符合下式的动态状态：其中γ(v)是由下式定义的向量函数：函数gi(vi)是非线性的，定义如下：2gi(vi)＝[fci+(fsi-fci)exp(-(vi/vsi))]/σ0i(16)fci，fsi和vsi是轴的相应正系数；gi(·)是正函数，用0＜fci/σ0i≤gi(vi)≤fsi/σ0i表示；方程(11)～(16)形成整个