内嵌扰动估计补偿算法的驱动器

IPC分类号 : G05B11/42

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CN201811401020.4

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专利摘要

本发明公开了一种内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，包括：扰动检测模块，用于获取工作平台的运动反馈信息，以及对工作平台进行运动规划，得到运动规划信息；主控模块，用于根据所述的运动规划信息与运动反馈信息的差值估算扰动，同时输出控制量，对输出的控制量进行滤波后再进行补偿，得到最终的控制量用于对伺服电机的驱动模块进行控制。本发明的控制器在传统闭环控制系统的基础上加上运动反馈模块用来检测控制系统的内外扰动结合运动规划模块中的理想运动模型，然后将对比结果反馈至控制算法进行补偿，从而达到消除扰动，提高控制精度的目的，解决现有的直线伺服电机驱动系统反馈信息不全面和控制精度不高的问题。

权利要求

1.一种内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，包括：

扰动检测模块，用于获取工作平台的运动反馈信息，以及对工作平台进行运动规划，得到运动规划信息；

主控模块，用于根据所述的运动规划信息与运动反馈信息的差值估算扰动，同时输出控制量，对输出的控制量进行滤波后再进行补偿，得到最终的控制量用于对伺服电机的驱动模块进行控制；其中：

所述的运动反馈信息为工作平台的位移，或工作平台的位移和速度；所述的运动规划信息包括工作平台的位移信息、速度信息和加速度信息；

所述的估算扰动，包括：

当所述的反馈信息为位移时，将位移反馈与运动规划的位移信息做差，得到位移差；当所述的反馈信息为工作平台的位移和速度时，除了计算位移差之外，还将工作平台的速度反馈与运动规划的速度信息做差，得到速度差；然后将位移差与控制量一起输入到扩张状态观测器中，估计工作平台的速度差和扰动差，得到速度差的估计值、扰动差的估计值；

所述的滤波后再进行补偿包括：

将速度差的估计值与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量；或将速度差与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量；对输出的控制量进行滤波，之后将扰动差的估计值、运动规划的加速度信息补偿到滤波后的控制量中，得到最终的控制量。

2.如权利要求1所述的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，所述的滤波为软件滤波，所述的主控模块中设置有滤波算法。

3.如权利要求1所述的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，所述的滤波为硬件滤波，所述的驱动器还包括：

陷波滤波模块，用于对所述输出的控制量进行陷波滤波；

信号合成模块，用于将陷波滤波后的控制量与所述的加速度信息、扰动差的估计值合成为最终的控制量。

4.如权利要求1所述的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，所述的将速度差的估计值与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量，包括：

将速度差的估计值与所述的位移差输入到主控模块中，对位移差进行等比例增益放大，再对位移差进行微分环节计算后乘以比例增益，得到工作平台的控制量。

5.如权利要求1所述的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，所述的将速度差与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量，包括：

将所述的速度差与位移差输入到主控模块中，对速度差进行比例增益放大，得到工作平台的控制量。

6.如权利要求1所述的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，所述的驱动器还包括：

电源模块，与稳压整流模块连接，其中电源模块用于提供电源，稳压整流模块用于为伺服电机提供稳定的电压和电流；

反馈模块，包括数模转换模块、编码器模块、电流反馈获取单元、电压反馈获取单元和电机位置反馈获取单元，其中：

7.如权利要求1所述的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，所述的工作平台为刚柔耦合平台，包括安装在机械导轨上的框架以及通过柔性铰链连接于所述框架上的工作平台，工作平台由所述的伺服电机驱动。

8.如权利要求1所述的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，其特征在于，所述的扩张状态观测器的设计为：

上式中，m为工作平台的惯量，ey为位移差，为位移差的估计值，为速度差的估计值，为扰动差的估计值，u为控制量，β1＝3ω，β2＝3ω2，β3＝ω3，ω为需要调节的参数。

说明书

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种直线伺服电机驱动系统中的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器。

背景技术

目前伺服控制系统在高端数控机床、精密电子封装设备和机器人等行业占据重要地位。随着高速精密制造产业不断发展，为高速精密伺服控制系统产业提供了巨大的发展前景和发展空间。

伺服控制系统控制方式主要分为全闭环控制和非全闭环控制。相对于非全闭环控制，全闭环控制的控制精度更高，但传统的闭环控制系统仅仅通过对比目标量和实际量两者之间的关系进行闭环控制，例如工作对象通过位置环进行全闭环控制。主控芯片输出目标位置驱动平台运动，然后检测平台的实际位置，通过对比目标位置和实际位置之间的位置误差，再将其反馈至主控芯片重新调整控制。其中，平台位置的检测有两种方式，一种是由伺服电机本身所安装的光电编码器，由于是以间接的方式反馈工作对象的位置，再通过闭环控制达到位置控制的目的。另一种方式是直接将位置传感组件安装在平台上，如光栅尺、激光位置检测计等等，直接反馈工作对象的位置，再通过闭环控制达到位置控制的目的。但发明人通过研究发现该种伺服控制系统的控制方法存在明显的不足，特别是在高速精密运动控制的情况下，其控制方法的不足之处更加突出，例如在直线伺服电机驱动系统中，传统的位置闭环控制忽略了摩擦力和平台弹性变形对控制系统造成扰动，造成了实际控制过程中运动目标不能迅速平稳达到稳定状态。显然，传统的伺服系统在补偿方案和控制方法难以满足日益增长的高速精密运动控制的要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种在伺服控制中加入扰动估计和补偿算法的驱动器，以达到消除扰动、提高控制精度的目的，解决现有的直线伺服电机驱动系统反馈信息不全面和控制精度不高的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，包括：

扰动检测模块，用于获取工作平台的运动反馈信息，以及对工作平台进行运动规划，得到运动规划信息；

所述的运动反馈信息为工作平台的位移，或工作平台的位移和速度；所述的运动规划信息包括工作平台的位移信息、速度信息和加速度信息；

所述的估算扰动，包括：

当所述的反馈信息为位移时，将位移反馈与运动规划的位移信息做差，得到位移差；当所述的反馈信息为工作平台的位移和速度时，除了计算位移差之外，还将工作平台的速度反馈与运动规划的速度信息做差，得到速度差；然后将位移差与控制量一起输入到扩张状态观测器中，估计工作平台的位移差、速度差和扰动差，得到位移差的估计值、速度差的估计值、扰动差的估计值；

所述的滤波后再进行补偿包括：

进一步地，所述的滤波为软件滤波，所述的主控模块中设置有滤波算法。

进一步地，所述的滤波为硬件滤波，所述的驱动器还包括：

陷波滤波模块，用于对所述输出的控制量进行陷波滤波；

信号合成模块，用于将陷波滤波后的控制量与所述的加速度信息、扰动差的估计值合成为最终的控制量。

进一步地，所述的将速度差的估计值与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量，包括：

进一步地，所述的将速度差与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量，包括：

将所述的速度差与位移差输入到主控模块中，对速度差进行比例增益放大，得到工作平台的控制量。

进一步地，所述的驱动器还包括：

电源模块，与稳压整流模块连接，其中电源模块用于提供电源，稳压整流模块用于为伺服电机提供稳定的电压和电流；

反馈模块，包括数模转换模块、编码器模块、电流反馈获取单元、电压反馈获取单元和电机位置反馈获取单元，其中：

进一步地，所述的工作平台为刚柔耦合平台，包括安装在机械导轨上的框架以及通过所述的柔性铰链连接于所述框架上的工作平台，工作平台由所述的伺服电机驱动。

进一步地，所述的扩张状态观测器的设计为：

上式中， m为工作平台的惯量，e_y为位移差，为位移差的估计值，为速度差的估计值，为扰动差的估计值，u为控制量，β₁＝3ω，β₂＝3ω²，β₃＝ω³，ω为需要调节的参数。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.现有平台控制主要采用PID控制算法，难以对摩擦扰动进行有效补偿。本发明从驱动器底层实现，干扰小，带宽高，通过规划运动曲线作为理想目标，与实际反馈之间的差值来估计扰动，并对控制量进行补偿，等效为理想平台，提高控制系统性能。

2.本发明内嵌的算法可以将模型误差与外部干扰作为统一的扰动因素进行考虑，实现对所有干扰信息的抑制，补偿扰动造成的误差。此外，内置算法的干扰抑制效果依赖于反馈环节中的传感器信息，再通过扩展观测器反馈至主控芯片对驱动器进行控制。因此，本发明加入运动反馈模块主要负责观测控制系统的外界扰动，并且与运动规划模块中的理想运动模型作对比，再结合原闭环控制系统，实现模型误差和外界扰动的统一，极大地提高高速精密运动控制精度。

附图说明

图1为本发明驱动器的结构图(软件滤波方式)；

图2为本发明驱动器的结构图(硬件滤波方式)；

图3为本发明驱动器控制流程图(软件滤波方式)；

图4为本发明驱动器控制流程图(硬件滤波方式)。

具体实施方式

本发明在于解决单测量反馈下的刚柔耦合平台驱动控制问题。对于无摩擦的理想刚性平台，只需要PID控制便能达到理想的控制效果。但事实上，扰动无处不在并时刻影响着控制系统，因此为了解决扰动带来的控制误差，本发明在传统闭环控制系统的基础上加上运动反馈模块用来检测控制系统的内外扰动结合运动规划模块中的理想运动模型，然后将对比结果反馈至控制算法进行补偿，从而达到消除扰动，提高控制精度的目的，解决现有的直线伺服电机驱动系统反馈信息不全面和控制精度不高的问题。本发明的具体内容如下：

一种内嵌扰动估计补偿算法的驱动器，包括：

扰动检测模块，用于获取工作平台的运动反馈信息，以及对工作平台进行运动规划，得到运动规划信息；具体地，如图1所示，扰动检测模块由运动反馈模块、运动规划模块两个子模块构成，其中：

运动反馈模块获取工作平台的反馈信息，该反馈信息可以有多种，例如将工作平台的位移作为反馈信息(对应于实施例1)，或将工作平台为位移和速度作为反馈信息(对应于实施例2)。

运动规划信息则是用于对工作平台进行运动规划，包括工作平台的位移信息、速度信息和加速度信息，这些信息可通过测量或建模计算得到。

所述的运动反馈信息为工作平台的位移，或工作平台的位移和速度；所述的运动规划信息包括工作平台的位移信息、速度信息和加速度信息；

所述的估算扰动，分为两种情况：

第一种情况，当所述的反馈信息为位移时，将位移反馈与运动规划的位移信息做差，得到位移差；

第二种情况，当所述的反馈信息为工作平台的位移和速度时，除了计算位移差之外，还将工作平台的速度反馈与运动规划的速度信息做差，得到速度差；

然后将位移差与控制量一起输入到扩张状态观测器ESO(extended stateobserver)中，估计工作平台的位移差、速度差和扰动差，得到位移差的估计值、速度差的估计值、扰动差的估计值；

对应于前面的两种情况，所述的补偿也分为两种情况：

第一种(当所述的反馈信息为位移时)，将速度差的估计值与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量；具体地，将速度差的估计值与所述的位移差输入到主控模块中，对位移差进行等比例增益放大，再对位移差进行微分环节计算后乘以比例增益，得到工作平台的控制量。

第二种(当所述的反馈信息为工作平台的位移和速度时)：将速度差与位移差输入到主控模块中进行处理，得到所述输出的控制量；具体地，将所述的速度差与位移差输入到主控模块中，对速度差进行比例增益放大，得到工作平台的控制量。当速度信息能可靠地测量时，直接用实际测量的速度信息与规划的速度信息的差值，代替通过ESO估计得到的速度差的估计值，比由ESO估计得到的位移差值更精确。

对输出的控制量进行滤波，之后将扰动差的估计值、运动规划的加速度信息补偿到滤波后的控制量中，得到最终的控制量。

具体地，在本实施例中，所述主控模块包括FPGA主控芯片和内存单元。其中，FPGA主控芯片主要分为两部分，分别是逻辑控制单元和DSP运算单元。逻辑控制单元负责接收反馈的信号，然后传输到DSP运算单元进行处理，DSP运算单元再将运算结果返回给逻辑控制单元，最后逻辑控制单元根据得到的结果对伺服电机驱动模块进行控制。内存单元负责存储伺服控制系统所需的程序和数据，每当启动伺服控制系统，FPGA芯片从内存单元读取信息从而初始化配置。所述主控模块通过以太网总线通讯电路与上位机进行通信。

除了上述各模块之外，该控制器还包括：

电源模块，与稳压整流模块连接，其中电源模块用于提供电源，稳压整流模块用于为伺服电机提供稳定的电压和电流，避免因电流电压不稳定而无法达到高精度控制。

反馈模块，包括数模转换模块、编码器模块、电流反馈获取单元、电压反馈获取单元和电机位置反馈获取单元，其中：

电机位置反馈获取模块用于获取伺服电机的位置，然后将位置信息传递给编码器模块，编码器模块将位置信息反馈给主控模块；所述的数模转换模块分别与电流反馈获取模块、电压反馈获取模块电连接，电流反馈获取模块、电压反馈获取模块分别用于采样伺服电机的电流、电压的模拟量，并将模拟量传输给数模转换模块，数模转换模块将模拟量转换为数字量反馈给主控模块，以使所述主控芯片根据所述数字量对伺服电机的驱动模块进行控制。可选地，所述的电机位置反馈获取单元可以是光电编码盘、电容式绝对编码器、角度编码器、磁编码盘。

本发明控制器所针对的工作平台，例如可为刚柔耦合平台，包括安装在机械导轨上的框架以及通过所述的柔性铰链连接于所述框架上的工作平台，工作平台由所述的伺服电机驱动。

本发明中，在对输出的控制量进行滤波时，有两种方式：

方式1：软件滤波。如图1所示，为采用软件滤波方式的结构示意图。采用软件滤波时，所述的主控模块的DSP运算单元中设置有滤波算法。

方式2：硬件滤波，此时DSP运算单元中不含滤波算法，此时的驱动器还包括：

陷波滤波模块，用于对所述输出的控制量进行低频信号陷波滤波；本实施例中，如针对的平台为刚柔耦合平台，则以柔性铰链的固有频率为中心频率进行陷波滤波。

信号合成模块，用于将陷波滤波后的控制量(PD信号)与所述的加速度信息(前馈信号)、扰动差的估计值(ESO信号)合成为最终的控制量，并将最终的控制量传递给伺服电机的驱动模块，以对伺服电机进行控制。本发明通过两种不同的滤波方式以满足工作平台高速运动时精准控制。

本发明的控制器的工作原理如下：

如图1、图2所示，控制器开始工作时，FPGA主控芯片从内存单元读取信息从而初始化配置。FPGA主控芯片中的逻辑控制单元有四大功能：与上位机通讯、接收各测量模块的反馈数据、与DSP运算单元进行信息交换和控制伺服电机的驱动模块；DSP运算单元对前馈算法、PID算法、扩张状态观测器(ESO)算法进行加速运算处理。其中前馈算法是指在前期通过对工作平台的测试，通过工作平台固有的属性得出的运动规划信息，本方案中则是指所述的加速度信息；PID算法则是指计算所述控制量的过程；ESO算法是指通过ESO估计得到扰动差的过程。

前期通过测试得出前馈数据，运动反馈模块与运动规划模块获取数据并反馈给主控模块估算出扰动差；电流反馈获取单元和电压反馈获取单元得到伺服电机的实际电流电压值，经过模数转换模块将模拟信号转换成数字信号，再反馈给主控芯片；伺服电机实际位置信号通过编码盘模块处理后反馈给主控芯片。

当逻辑控制单元接收到反馈数据，将数据传输给DSP运算单元，其中前馈数据、反馈数据和外界扰动数据分别对应前馈算法、PID算法和ESO算法进行数据处理。前馈算法能够加速工作平台快速进入稳定状态，PID算法将目标数据和实际数据进行对比，实现电流环、速度环和位置环的全闭环控制，ESO算法实现对外界扰动的补偿，补偿扰动的误差。

现有平台主要采用PID控制，但由于刚柔耦合平台中柔性铰链固有频率低，导致PID信号含有弹性振动分量，PD控制环节将扰动进行放大，从而不能高速运动。由于频率低，直接陷波滤除后，会造成很多运动频率被去除。因此，本发明中滤波算法需要单独对PD控制所产生的干扰信号进行陷波滤波，提高控制信号的有效性。

如图1所示，软件滤波方式中DSP运算单元将最终处理所得的控制信号(前馈+ESO+滤波后的PD)传输给逻辑控制单元，逻辑控制单元再将控制信号输入至伺服电机的驱动模块进行相对应的控制，最终实现了对平台的控制。

如图2所示，硬件滤波方式中DSP运算单元将分别处理的前馈信号、ESO信号和PD信号传输至逻辑控制单元，逻辑控制单元输出两路控制信号，分别是前馈信号与ESO信号组成的信号和PD信号；输出的PD信号经过陷波滤波模块处理后，和前馈信号、ESO信号一起输入至信号合成模块。信号合成模块将两路控制信号合成一路控制信号，然后输入至伺服电机驱动模块进行相对应的控制，最终实现了对平台的控制。

最后，主控芯片通过以太网总线与上位机通讯，并将结果传输给上位机。

本发明的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器控制流程图(软件滤波方式)，如图3所示：

①FPGA主控芯片初始化；

②运动反馈模块、运动规划模块、模数转换模块、和编码盘模块并行处理；

③反馈数据传输给逻辑控制单元；

④逻辑控制单元将反馈数据传输给DSP运算单元进行数据处理；

⑤DSP运算单元将处理后的结果返回给逻辑控制单元；

⑥逻辑控制单元根据得到的结果对伺服电机驱动器做出相应的驱动；

⑦主控芯片和上位机通讯，上位机显示控制结果等信息。

本发明的内嵌扰动估计补偿算法的驱动器控制流程图(硬件滤波方式)，如图3所示：

①FPGA主控芯片初始化；

②运动反馈模块、运动规划模块、模数转换模块、和编码盘模块并行处理；

③反馈数据传输给逻辑控制单元；

④逻辑控制单元将反馈数据传输给DSP运算单元进行数据处理；

⑤DSP运算单元将处理后的结果返回给逻辑控制单元；

⑥逻辑控制单元输出两路信号，陷波滤波模块对PD信号进行滤波处理并输出；

⑦信号合并模块将两路信号合成一路信号并输出；

⑧伺服电机驱动器模块接收到控制信号并做出相应的驱动；

⑨主控芯片和上位机通讯，上位机显示控制结果等信息。

为进一步说明本发明的驱动器的工作原理，现对扰动估计补偿算法进行说明。下面将分为单测量位移单驱动运动控制过程和单测量位移速度单驱动运动控制过程。本方案中，参数上标圆点表示导数，圆点个数为导数阶数；参数上标^表示估计值。

实施例1

本实施例的控制器针对的控制过程为单测量位移单驱动运动控制。在该实施例中，刚柔耦合平台主要包括机械导轨、框架刚体、柔性铰链、工作平台组成，设定x为工作平台的位移，m为工作平台的惯量，F为伺服电机作用在工作平台上的驱动力，f为系统的扰动力，s，v，a分别为运动规划的位移、速度和加速度。

工作平台运动力学响应方程为：

进行扰动补偿后，工作平台的动力学响应方程为：

本实施例中，式2得到的工作平台的等效动力学响应方程为无摩擦的理想平台。对工作平台进行运动规划，规划出其位移s，速度v和加速度a。其中最大规划加速度为：

F_MAX为伺服电机产生的最大推力，f_MAX为最大扰动力。设置了最大规划加速度后能够保证控制量不超限制，因此不需要对控制量进行限制，驱动器可以发挥出最大功效，所有扰动都可以进行补偿抵消。

以工作平台位移x与规划位移s作差，得到e_y＝x-s将其与控制量一起输入到ESO中，得到工作平台位移差、速度差和扰动差的估计值和考虑到工作平台的位移反馈与位移规划的差值会比估计的位移差更精确，于是将位移反馈与位移规划的差值e_y与速度差的估计值输入到工作平台控制器中，将输出的控制量进行陷波滤波处理，再将扰动信息和规划加速度信息a补偿到该控制量中，把刚体平台转变为一个无扰动的理想系统。

取进入ESO的量为e_y和控制量u，则ESO的设计为：

其中，β₁＝3ω，β₂＝3ω²，β₃＝ω³，ω是需要调节的参数。

则最终的控制量为：

上式中，k_p与k_d分别为控制器中比例和微分的放大系数，均为大于0的正数。

实施例2

本实施例的控制器针对的控制过程为单测量位移速度单驱动运动控制。在本实施例中，刚柔耦合平台主要包括机械导轨、框架刚体、柔性铰链、工作平台组成，设定x为工作平台的位移，为工作平台的速度，m为工作平台的惯量，F为伺服电机作用在工作平台上的驱动力，f为系统的扰动力，s，v，a分别为运动规划的位移、速度和加速度。

工作平台运动力学响应方程为：

进行扰动补偿后，工作平台的动力学响应方程为：

本实施例中，式7得到的工作平台的等效动力学响应方程为无摩擦的理想平台。本实施例中，对工作平台进行运动规划，规划出其位移s，速度v和加速度a。其中最大规划加速度为：

以工作平台位移x与规划位移s的作差，得到e_y＝x-s将其与控制量一起输入到ESO中，得到工作平台位移差、速度差和扰动差的估计值和考虑到工作平台的位移反馈x与位移规划s的差值e_y会比估计的位移差更精确，工作平台的速度反馈与速度规划v的差值e_v会比估计的位移差更精确，于是将e_y与e_v输入到工作平台控制器中，将输出的控制量进行陷波滤波处理，再将扰动信息和规划加速度信息a补偿到该控制量中，把刚体平台转变为一个无扰动的理想系统。

取进入ESO的量为e_y和控制量u，则ESO的设计为：

其中，β₁＝3ω，β₂＝3ω²，β₃＝ω³，ω是需要调节的参数。

控制量的设计为：

其中，k_p与k_d分别为控制器中比例和微分的放大系数，为大于0的正数。

最后根据控制对象的固有属性，所输出的控制量加上前馈，从而形成完整的PID+前馈+ESO算法控制。

控制程序实际运行时，运动规划按照用户具体要求设置所需要的参数，如PID参数(k_d,k_p)、工作平台惯量，运动规划目标量(x， )和调节参数(ω,b₀)则通过上位机设定，然后通过以太网总线传输到主控芯片中，代入其算法运算得出输出控制量。

在本发明实例中通过规划运动曲线作为理想目标，与实际反馈之间的差值来估计扰动，并对控制量进行补偿，最终间接实现理想平台的搭建。

内嵌扰动估计补偿算法的驱动器专利购买费用说明