專利名稱：：超聲電機(jī)速度-位置雙閉環(huán)控制模式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：超聲電機(jī)速度-位置雙閉環(huán)控制模式，屬自動(dòng)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著超聲電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了一套械裝備中需要多臺(tái)超聲電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制的情況，如利用超聲電機(jī)不受輻射和高低溫巨變影響的特點(diǎn)將其用于太空機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。目前，關(guān)于超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制還停留在針對(duì)單個(gè)超聲電機(jī)的情況，這些控制策略未必能有效地直接應(yīng)用于多超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。傳統(tǒng)電機(jī)的速度一位置聯(lián)合控制一般有兩種形式，一種是位置閉環(huán)包含速度閉環(huán)，如圖l(a)所示；另一種是速度閉環(huán)包含位置閉環(huán)，如圖l(b)所示。但這兩種控制方式均無(wú)法運(yùn)用在超聲電機(jī)上。通過(guò)位置反饋后超聲電機(jī)的實(shí)際速度與理想速度會(huì)相差較大，讓它們?cè)龠M(jìn)行比較來(lái)獲得速度誤差己毫無(wú)意義；同理，通過(guò)速度反饋后超聲電機(jī)的實(shí)際位置與理想位置相差也較大，讓它們?cè)龠M(jìn)行比較來(lái)獲得位置誤差也沒(méi)有實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)也證明，采用這種內(nèi)外環(huán)的控制方法，得到的位置精度不會(huì)優(yōu)于位置閉環(huán)控制的精度，速度的穩(wěn)定性也不會(huì)好過(guò)速度閉環(huán)控制的情況。以超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)多關(guān)節(jié)機(jī)器人為例，一個(gè)關(guān)節(jié)由一臺(tái)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)。位置反饋控制可以獲得較好的關(guān)節(jié)位置精度，但由于超聲電機(jī)的速度響應(yīng)非?？?，使得機(jī)器人關(guān)節(jié)的速度變化較為劇烈，從而使機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性不能得到保證；速度反饋控制可以獲得很好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，但關(guān)節(jié)位置精度較差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出了一種運(yùn)行平穩(wěn)、位置精度好的控制模式。這種控制模式特別適用于在一套設(shè)備中需要多臺(tái)超聲電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)且精確控制的情況。一種適用于超聲電機(jī)的速度-位置雙閉環(huán)控制模式，通過(guò)改變加在驅(qū)動(dòng)器中壓控振蕩器的直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)的頻率，進(jìn)而改變超聲電機(jī)的速度，其中初始控制電壓為U。，其特征在于包括形式上并聯(lián)，操作順序上串聯(lián)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)；首先進(jìn)行速度閉環(huán)控制，當(dāng)速度反饋控制獲得超聲電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且位置精度已達(dá)到速度閉環(huán)控制所能控制的極限時(shí)，也就獲得了該超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓增量AU2;在U。+All2作為控制電壓的基礎(chǔ)上，添加位置閉環(huán)控制，當(dāng)位置反饋控制獲得超聲電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且位置精度已達(dá)到位置閉環(huán)控制所能控制的極限時(shí)，也就獲得了該超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓增量AU,;將u。+Au2+Au!作為最終超聲電機(jī)控制電壓。在多臺(tái)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備中，單臺(tái)超聲電機(jī)往往會(huì)將其運(yùn)動(dòng)的誤差和運(yùn)行不平穩(wěn)帶來(lái)的顫振，通過(guò)其與其它超聲電機(jī)相聯(lián)的零部件，傳遞給其它的超聲電機(jī)。這些零部件往往還會(huì)起到將誤差和顫振放大的作用，這會(huì)引起整套設(shè)備的顫振和精度的降低。相對(duì)于只有一臺(tái)超聲電機(jī)的設(shè)備而言，多臺(tái)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備對(duì)超聲電機(jī)的控制效果提出了更高的要求。圖1:現(xiàn)有電磁電機(jī)的雙閉環(huán)控制模式。其中圖l(a)為位置閉環(huán)包含速度閉環(huán)。圖l(b)為速度閉環(huán)包含位置閉環(huán)。圖2:速度一位置雙閉環(huán)控制模式圖。圖3:三關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖。其中圖3(a)為側(cè)視圖。其中圖3(b)為主視圖。圖4:三關(guān)節(jié)機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)圖圖中標(biāo)號(hào)名稱L腕關(guān)節(jié)超聲電機(jī)，2.肩關(guān)節(jié)超聲電機(jī)，3.腰關(guān)節(jié)超聲電機(jī)，4.夾持手，5.腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器，6.肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器，7.腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器。具體實(shí)施例方式現(xiàn)有電磁電機(jī)的雙閉環(huán)控制模式如圖1所示，圖2是本發(fā)明提出的針對(duì)超聲電機(jī)運(yùn)行特性的雙閉環(huán)控制模式。圖1中的兩個(gè)閉環(huán)控制形式上是包含與被包含的關(guān)系。圖l(a)是位置閉環(huán)包含了速度閉環(huán)，圖l(b)是速度閉環(huán)包含了位置閉環(huán)。在超聲電機(jī)的控制中，如果采用圖l(a)的模式，首先進(jìn)行位置反饋比較，則位置精度可以確保，但此時(shí)超聲電機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)速度與理想速度會(huì)有很大誤差并且電機(jī)易發(fā)生顫振，再進(jìn)行速度反饋比較就失去了意義；如果采用圖l(b)的模式，首先進(jìn)行速度反饋比較，可以確保超聲電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，但此時(shí)超聲電機(jī)的實(shí)際瞬時(shí)位置與理想位置會(huì)有巨大誤差，再進(jìn)行位置反饋比較也會(huì)變得毫無(wú)意義。造成這兩種模式都不能適用于超聲電機(jī)的主要原因是超聲電機(jī)的速度響應(yīng)非?？?，使得超聲電機(jī)的速度變化較為劇烈。圖l(a)中，理想速度的獲取是建立在位置控制的基礎(chǔ)之上，它對(duì)位置控制有依賴性；同理，圖l(b)中，理想位置的獲取是建立在速度控制的基礎(chǔ)之上，它對(duì)速度控制有依賴性。圖2中，速度反饋比較和位置反饋比較在實(shí)際操作中，雖然有順序上的前后之分，在形式上是并聯(lián)的，具有各自的獨(dú)立性，主要表現(xiàn)在理想速度和理想位置的獲取互不依賴?？刂颇Ｊ饺鐖D2所示。圖2所示的控制模式中有兩個(gè)閉環(huán)控制，分別是速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。超聲電機(jī)調(diào)速的基本方式是通過(guò)改變加在超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中壓控振蕩器的直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)的頻率，進(jìn)而改變超聲電機(jī)的速度。超聲電機(jī)的初始控制電壓為uo，考慮到速度反饋控制能保證超聲電機(jī)有很好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，首先進(jìn)行速度閉環(huán)控制。選取一種常用的位置控制性能指標(biāo)作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)，不斷調(diào)整速度閉環(huán)控制參數(shù)，當(dāng)這個(gè)性能指標(biāo)的數(shù)值不能再進(jìn)一步得到提升時(shí)，表明速度反饋控制所獲得的位置精度己達(dá)到其所能控制的極限，這時(shí)也就獲得了該超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓增量AU2;以UQ+AU2作為控制電壓的基礎(chǔ)，選用位置控制性能指標(biāo)和速度控制性能指標(biāo)同時(shí)作為衡量的依據(jù)，不斷調(diào)整位置閉環(huán)控制參數(shù)，當(dāng)位置反饋控制獲得超聲電機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn)且位置精度已達(dá)到位置閉環(huán)控制所能控制的極限時(shí)，也就獲得了該超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓增量厶u"將u。+厶U2+Au,作為最終超聲電機(jī)控制電壓。數(shù)據(jù)對(duì)比三關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，它可以在工作空間的任何一個(gè)平面內(nèi)畫圖形或?qū)懽?。三個(gè)關(guān)節(jié)均采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，腰關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)使用的是南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所制的TRUM-60型超聲電機(jī)，腕關(guān)節(jié)使用的是TRUM-45型。每一個(gè)關(guān)節(jié)配備一臺(tái)旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)選用中空型，從而省去了電機(jī)與編碼器之間的聯(lián)軸器，編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)是2000。機(jī)器人腕關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍均是±卯°，腰關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍是±360°。表l是機(jī)器人的各關(guān)節(jié)桿件長(zhǎng)度和質(zhì)量數(shù)據(jù)。表14<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>基于PC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三關(guān)節(jié)機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。采用了固高公司通用型GT-400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡，一方面利用其模擬量電壓輸出來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，另一方面利用該卡提供的功能讀出旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖值。該型控制卡具有數(shù)字濾波和脈沖4倍頻電路，因而可以將位置反饋精度提高到每轉(zhuǎn)8000個(gè)脈沖。機(jī)器人控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是PC控制機(jī)將擬定好的各關(guān)節(jié)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送給運(yùn)動(dòng)控制卡，控制卡將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并通過(guò)端子板發(fā)送給超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，從而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。編碼器將各個(gè)關(guān)節(jié)的瞬時(shí)位置信息通過(guò)接口電路反饋到運(yùn)動(dòng)控制卡，控制卡將編碼器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置的數(shù)字信號(hào)，并將此位置信息傳送到PC控制機(jī)中，控制機(jī)以編碼器的反饋信號(hào)為依據(jù)，得到瞬時(shí)的誤差信號(hào)e(f)，并根據(jù)誤差信號(hào)的大小，利用控制算法計(jì)算出電機(jī)下一個(gè)控制周期的控制量大小，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。表2是位置反饋、速度反饋、位置環(huán)包速度環(huán)、速度環(huán)包位置環(huán)和位置-速度雙閉環(huán)反饋的控制效果數(shù)據(jù)比較?？刂茖?duì)象是超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三關(guān)節(jié)機(jī)器人。從表中可以明顯看出位置-速度雙閉環(huán)反饋的控制精度比其它四種控制方式高。從表中還可以看出一般電機(jī)采用的雙閉環(huán)控制方式用于超聲電機(jī)上的控制效果比單閉環(huán)控制(位置反饋或速度反饋)的效果還差。表2五種控制方式的數(shù)據(jù)比較^^^^g態(tài)誤差最大值腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)位置反饋0.213°0.425°1.125速度反饋0.135°19.125°25.65°位置環(huán)包速度環(huán)0.326°21.135°27.35°速度環(huán)包位置環(huán)0.427°24.165。29.15°位置一速度雙閉環(huán)反饋0.065°0.155°0.195。權(quán)利要求1、一種適用于超聲電機(jī)的速度-位置雙閉環(huán)控制模式，通過(guò)改變加在驅(qū)動(dòng)器中壓控振蕩器的直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)的頻率，進(jìn)而改變超聲電機(jī)的速度，其中初始控制電壓為u0，其特征在于包括形式上并聯(lián)，操作順序上串聯(lián)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)；首先進(jìn)行速度閉環(huán)控制，當(dāng)速度反饋控制獲得超聲電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且位置精度已達(dá)到速度閉環(huán)控制所能控制的極限時(shí)，也就獲得了該超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓增量△u2；在u0+△u2作為控制電壓的基礎(chǔ)上，添加位置閉環(huán)控制，當(dāng)位置反饋控制獲得超聲電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且位置精度已達(dá)到位置閉環(huán)控制所能控制的極限時(shí)，也就獲得了該超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓增量△u1；將u0+△u2+△u1作為最終超聲電機(jī)控制電壓。全文摘要本發(fā)明涉及一種提高運(yùn)行于設(shè)備中多臺(tái)超聲電機(jī)運(yùn)行性能的控制方法，屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域。在一套設(shè)備中，需要多臺(tái)超聲電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)，位置反饋控制可以獲得較好的位置精度，但由于超聲電機(jī)的速度響應(yīng)非?？?，使得超聲電機(jī)的速度變化較為劇烈，從而使整臺(tái)設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性不能得到保證；速度反饋控制可以獲得很好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，但位置精度較差。為了解決這個(gè)矛盾，設(shè)計(jì)出了一種新型的速度-位置雙閉環(huán)控制模式，將速度閉環(huán)控制電壓增量與位置閉環(huán)控制電壓增量相加，作為總的控制電壓增量，作用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，以提高超聲電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的整體運(yùn)行性能。該發(fā)明適用于超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，尤其是需要多臺(tái)超聲電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制的場(chǎng)合。文檔編號(hào)H02N2/00GK101478262SQ200810156170公開日2009年7月8日申請(qǐng)日期2008年9月24日優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日發(fā)明者孫志峻,邢仁濤申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)