一种基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制方法

技术领域

本发明属于伺服控制系统技术领域，特别是一种基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制方法。

背景技术

雷达、天文望远镜等设备在探测高空移动物体时，由于目标距离较远，目标相对移动速度较慢，因此雷达等设备的伺服控制系统有时需工作在超低速的运行状态下。由于伺服控制系统的位置反馈是由编码器提供的，常规使用的增量式编码器经常应用于对速度控制精度较高的场合。雷达等设备的伺服控制系统在常规工作时，增量式编码器的分辨率越高，系统的测速精度就越高，速度控制时的控制精度与控制性能就越高。由于分辨率越高的增量式编码器对体积的要求就越大，而雷达等设备对体积的要求越来越小，因此有必要对使用相对较低分辨率增量式编码器的伺服控制系统，进行在中高速与超低速情况下的速度控制精度与控制性能进行研究和分析，以获得更优的控制效果和更小的设备体积。

使用增量式编码器测速较为常用的是M/T测速法，该方法兼顾了低速和高速下的测速精度，但是当编码器的分辨率不够高时，高速时无法在单位时间内测量很多的脉冲导致测速精度受限，低速时相邻两个脉冲之间的测量时间过长导致出现转速在多个控制周期不更新的更新死区与滞后，常规低速控制时中摩擦补偿、齿槽转矩补偿与死区补偿可以较为有效地提升低速时的控制性能，但是上述方法并不能解决编码器低分辨率带来的低速时较大的更新死区与中高速时较低的测速精度的问题。

为了解决编码器分辨率较低时导致的控制性能下降，国内外学者进行了大量的研究。文献(高扬，杨明，于泳，等.基于扰动观测器的PMSM交流伺服系统[J].中国电机工程学报，2005，25(22)：125-128.)设计了一种转矩扰动观测器，通过对干扰的观测与补偿，改善低速时的控制性能，但是该方法不能改善编码器低分辨率导致的低速死区和滞后。Xiao-LiSong等在文献(Azimuth Control for Large Aperture Telescope Based on SegmentedArc Permanent Magnet Synchronous Motors[J].Research in Astronomy andAstrophysics,2021,21(7):163.)设计了一种扩展状态观测器观测，实时估计系统中的位置信息从而改善提高系统的控制精度，但是该法计算复杂，且在长周期内可能因为转矩电流的误差导致位置精度不高。文献(尹忠刚等.基于扰动观测器的交流伺服系统低速爬行滤波反步控制方法[J].电工技术学报,2020,035.0z1:203-211.)设计了一种干扰观测器可减小在低速工作时的摩擦等干扰的影响，使控制系统的抗干扰能力提高，但是同样没有考虑编码器低分辨率产生的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述雷达等设备小体积要求下的低分辨率编码器导致的低速死区与滞后的问题，提供一种伺服系统超低速控制方法，可提高超低速时的测速精度与控制性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，通过增量式编码器获取伺服系统当前位置信息，得到当前的机械角度θ；

步骤2，对采样三相电流i

步骤3，通过设置计时器测量控制系统当前控制周期获取位置的时刻点与下一个控制周期的时刻点之间的时间差，以获取位置测量的精确时间T

步骤4，离线辨识出Stribeck模型摩擦力曲线与齿槽转矩波形以及电机参数，获取相关的电机参数以及前馈补偿值；所述前馈补偿值包括摩擦力前馈补偿值i

步骤5，针对在M/T法中T法测速的低速阶段，建立一种快速速度观测器，使用转矩电流反馈值i

进一步地，步骤2中需建立如下伺服系统数学模型：

式中，θ为电机的机械角度；ω为电机的机械角速度；ψ

进一步地，步骤3中M/T法测速，具体过程包括：

步骤3.1，根据芯片设计的计时器模块，在每个控制周期的位置获取时刻开启相应的计时器中断，通过计算获取位置测量的精确时间T

步骤3.2，计算当前检测周期的速度反馈值ω(n)：

其中，M

进一步地，所述t

进一步地，步骤4中摩擦力前馈补偿值i

进一步地，步骤5具体包括：

步骤5.1，根据电机的转动方程：

结合摩擦力与齿槽转矩的前馈补偿值i

步骤5.2，根据速度观测只在低速时进行，可得转速的计算公式为：

其中，t

步骤5.3，根据公式(4)与公式(5)构造速度观测器的状态方程为：

式中，

步骤5.4，取期望带宽ω

步骤5.5，将公式(7)代入公式(6)，计算可得速度的观测值

进一步地，步骤5.4中所述期望带宽ω

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)本发明实现了伺服控制系统在超低速工作状态下的快速速度观测器，观测器仅需观测M/T法采样速度和负载扭矩，无需观测电机的位置信息，简化了观测器结构，使计算相对简单快速。同时考虑了摩擦力、齿槽转矩对速度变化的影响，进一步提高了速度观测的精度，这种快速观测器能够减小由于编码器精度低造成的迟滞和测量死区，使低速工作状态下的速度响应与速度控制精度有较大的提升，同时避免了传统观测器由于外部负载等非线性因素导致的位置偏差较大的问题，提高了系统的稳定性和鲁棒性。

2)本发明将M/T法测速与低速快速速度观测器有机结合，在M/T法的中高速采样测量时间的处理与低速切换观测器的处理，能够在优化中高速的测速精度的同时优化超低速的测速精度，能够更好地满足雷达等设备对转速控制的要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的系统控制原理框图。

图2(a)为本发明所提的M/T法测速中M法的编码器信号测量的时序展开示意图。

图2(b)为本发明所提的M/T法测速中T法的编码器信号测量的时序展开示意图。

图3为图1中所提的考虑摩擦力与齿槽转矩的快速速度观测的原理框图。

图4为本发明使用的伺服系统实现矢量控制的主中断软件实现流程图。

图5(a)为本发明在超低速工作状态下的速度波形与传统M/T法测速的速度波形对比图。

图5(b)为图5(a)的放大波形图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，本发明提供了一种基于低精度增量编码器的伺服系统超低速的控制方法，控制原理如图1所示，包括速度闭环、q轴电流闭环和d轴电流闭环。

所述方法包括：

步骤1，通过增量式编码器获取伺服系统当前位置信息，得到当前的机械角度θ；

步骤2，对伺服系统进行三相电流i

式中，θ为电机的机械角度；ω为电机的机械角速度；ψ

步骤3，通过设置计时器测量控制系统当前控制周期获取位置的时刻点与下一个控制周期的时刻点之间的时间差，以获取位置测量的精确时间T

这里，所提的M/T法测速的编码器信号测量的时序展开示意图如图2(a)与图2(b)所示，其中通过设计FPGA芯片的计时器模块测量控制系统当前控制周期获取位置的时刻点与下一个控制周期的时刻点之间的时间差，以获取位置测量的精确时间T

所述M/T法测速，具体过程包括：

步骤3.1，根据芯片设计的计时器模块在每个控制周期的位置获取时刻开启相应的计时器中断，通过计算获取测量的位置测量的精确时间T

步骤3.2，计算当前检测周期的速度反馈值ω(n)；

其中，M

步骤4，在电流环建立了电机参数离线辨识，如图1所示的在速度环中建立的摩擦(stribeck模型)与齿槽转矩离线辨识与前馈补偿方法以及死区补偿方法都与其他传统方法相同，其中电机参数包括电机的极对数P，电机的定子电阻R

步骤5，针对在M/T法中T法测速的低速阶段，建立一种快速速度观测器，使用转矩电流反馈值i

考虑摩擦力与齿槽转矩的快速速度观测的原理框图如图3所示，所述快速速度观测器按照以下步骤实施：

步骤5.1，根据电机的转动方程：

结合摩擦力与齿槽转矩的前馈补偿值i

步骤5.2，根据速度观测只在低速时进行，可得转速的计算公式为：

其中，t

步骤5.3，根据公式(11)与公式(12)构造速度观测器的状态方程为：

式中，

步骤5.4，取期望带宽ω

步骤5.5，将公式(14)代入公式(13)，计算可得速度的观测值

这里优选地，一般按照工程经验，所述期望带宽ω

本实施例实验平台中使用的系统控制方案构架为ARM与FPGA双芯片架构。ARM承担了电机控制的主体，三环控制的计算等等重要功能，FPGA作为外设主体实现了与ARM之间的信息交互，与外部传感器之间的信息交互，并参与部分功能的信号处理，其中M/T法测速是在FPGA中设计实现的，快速速度观测器是在ARM中设计的矢量控制的速度环中实现的。伺服系统实现矢量控制的主中断软件实现流程图如图4所示。实验所得在超低速工作状态下的速度波形与M/T法测速的速度波形对比图如图5(a)与图5(b)所示，实验电机使用了2500线增量式编码器，可以看出在超低速(如0.1rpm)时，所提控制方法削弱了测速的更新死区与滞后，提高了系统的速度控制精度与性能。

在一个实施例中，提供了一种基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制系统，所述系统包括：

第一模块，用于实现：通过增量式编码器获取伺服系统当前位置信息，得到当前的机械角度θ；

第二模块，用于实现：对采样三相电流i

第三模块，用于实现：通过设置计时器测量控制系统当前控制周期获取位置的时刻点与下一个控制周期的时刻点之间的时间差，以获取位置测量的精确时间T

第四模块，用于实现：离线辨识出Stribeck模型摩擦力曲线与齿槽转矩波形以及电机参数，获取相关的电机参数以及前馈补偿值；所述前馈补偿值包括摩擦力前馈补偿值i

第五模块，用于实现：针对在M/T法中T法测速的低速阶段，建立一种快速速度观测器，使用转矩电流反馈值i

关于基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制系统的具体限定可以参见上文中对于基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制方法的限定，在此不再赘述。上述基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现：

步骤1，通过增量式编码器获取伺服系统当前位置信息，得到当前的机械角度θ；

步骤2，对采样三相电流i

步骤3，通过设置计时器测量控制系统当前控制周期获取位置的时刻点与下一个控制周期的时刻点之间的时间差，以获取位置测量的精确时间T

步骤4，离线辨识出Stribeck模型摩擦力曲线与齿槽转矩波形以及电机参数，获取相关的电机参数以及前馈补偿值；所述前馈补偿值包括摩擦力前馈补偿值i

步骤5，针对在M/T法中T法测速的低速阶段，建立一种快速速度观测器，使用转矩电流反馈值i

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于基于低精度增量编码器的伺服系统超低速控制方法的限定，在此不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。