一种电机高速高精度转动规划定位控制方法与流程

本发明属于机电产品伺服控制
技术领域：
，具体涉及一种电机高速高精度转动规划定位控制方法。
背景技术：
：民用领域中各种机器手、数控机床等机电产品，以及军用领域中各种导引头、光电瞄准设备、雷达、火炮伺服系统，为完成产品的相应功能，均涉及电机的角度定位控制。当机电产品中电机的负载数值和扰动量值变化较大，以及每次电机的角度定位指令数值不是固定指令数值时，电机角度定位的动态过程品质和稳态定位精度将受到较大影响。现有技术中机电产品采用位置环、速度环和电流环三环控制算法，或位置、速度双环控制算法以改善产品的性能，在上述三种变化的同时影响下，均不能实现快速、无超调、高精度定位控制。由于三种变化的同时变化，基于模型的先进控制算法不再适用；各种智能控制算法较为复杂，且当上述三种变化的变化率较大时，智能控制算法的调整能力也会不尽人意。因此，机电产品的角度定位控制方法决定角度跟踪响应速度和稳态精度，直接影响电机角度定位效果。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对现有电机角度定位控制方法不能实现快速、高精度的缺陷，提供一种电机高速高精度转动规划定位控制方法，以提高机电产品控制回路的带宽，进而提高机电产品的响应性能和定位精度。为解决上述技术问题，本发明提出一种电机高速高精度转动规划定位控制方法，包括以下步骤：步骤一、机电产品首次进入“高速高精度转动规划定位控制方法”，初始化各中间状态变量，并将θorgin_1赋值为361°；步骤二、获取机电产品原始角度定位指令数值θorgin_2，及该时刻角度传感器输出的角度θout_new(k)；k为机电产品角度回路离散控制的角度采样时刻（采样周期），第1次执行步骤二时k=1，第2次执行步骤二时k=2，以此类推；将k=1时的θout_new(1)值赋值给上一次角度传感器输出的角度θout_old，即θout_old=θout_new(1)；步骤三、判断原始角度定位指令数值，若θorgin_2≠θorgin_1，则对所有中间过程状态变量进行初始化为零，并将θorgin_2的值赋值给θorgin_1，即θorgin_1=θorgin_2；本步骤的目的是当检测到指令θorgin_2发生变化时，对所有中间过程状态变量进行初始化为零；由于指令θorgin_2的数值范围为圆的角度范围0°-360°，因此第1次执行步骤三时，θorgin_2一定不等于θorgin_1，所有中间过程状态变量会进行初始化为零；步骤四、对接收到的角度传感器输出的角度θout_new(k)数值按照常规的异常值剔除算法进行异常值剔除处理，即对接收到的θout_new(k)数值按照常规的异常值剔除算法进行异常值剔除处理；异常值剔除的算法较多，如可以采用在第k时刻和k+1时刻间进行5次采样，得到θout_new(k1)、θout_new(k2)、θout_new(k3)、θout_new(k4)、θout_new(k5)，采用冒泡排序算法将5个数由大到小进行排列，去掉最大值和最小值，对剩下的3个角度求平均或者取中间值，即可以实现对异常值的剔除；步骤五、计算原始角度定位指令误差θerror，即原始角度定位指令θorgin_2与角度θout_old间的偏差：θerror=θorgin_2-θout_old；步骤六、通过f函数对步骤五获取的原始角度定位指令误差θerror进行误差量规划，以一定的加速度数值对误差量进行追踪，实现在零误差至1/2θerror时匀加速跟踪，在1/2θerror至θerror间匀减速跟踪；即将θerror输入式（1）、（2）中求出k时刻规划后的偏差信号θe1(k)，（1）（2）式（1）的输入量为θerror、r、h、t，输出量为规划后的偏差信号，式中，θerror为原始角度定位指令误差、r为加速度因子，h为滤波因子，t为积分步长，其它参数均为中间变量；步骤七、通过步骤六获取规划后的偏差信号θe1(k)，生成新的电机转动定位重构指令角度：θnew(k)=θout_old+θe1(k)，并计算重构指令误差：θerror_new(k)=θnew(k)-θout_new(k)；步骤八、通过式（3）和（4）对步骤七得到的重构指令误差θerror_new(k)进行非线性误差处理，得到电机转动定位控制量信号uc（k）：（3）（4）式中，e=θerror_new(k)为表示误差信号，δ为线性段的区间长度，，uc（k）为非线性误差处理后的电机转动定位控制量信号，kif为积分增益，kpf为比例增益，kdf为微分增益，其它参数均为中间变量；步骤九、将步骤八得到的uc（k）信号传送至功率驱动器件，控制电机转动定位。所述步骤二中的角度传感器可以是旋转变压器、光电码盘、电编码器、磁编码器、电位器，可以根据实际情况，具体选择市售产品。本发明的方法可以用于民用领域中各种机器手、数控机床等机电产品，以及军用领域中各种导引头、光电瞄准设备、雷达、火炮伺服系统中电机的角度定位控制。高速高精度转动规划定位控制的关键在于从原始角位置θout_old以最短时间无超调到达指令数值θorgin_2要求的角度，因此，本发明对原始角度定位指令误差进行误差量规划，以r加速度数值对误差量θerror进行追踪，实现在零误差至1/2θerror时匀加速跟踪，在1/2θerror至θerror间匀减速跟踪。式（1）误差规划f函数的输入量为θerror、r、h、t，输出量为规划后的偏差信号，其中，θerror为原始角度误差、r为加速度因子，h为滤波因子，t为积分步长；其它参数均为中间变量。需根据不同机电产品调整加速度因子r、滤波因子h和积分步长t。规划后的偏差信号θe1(k)，生成新的电机转动定位重构指令θnew(k)=θout_old+θe1(k)，并计算重构指令误差θerror_new(k)=θnew(k)-θout_new(k)。从重构指令误差θerror_new(k)可以看出，规划和重构避免了机电系统突然收到突变指令后，带来的突变大误差θerror对机电系统造成的突变大力矩和转动超调。本发明的有益效果是：传统的机电产品角度回路为线性控制器，采用本发明的转动规划定位控制方法可以使角度回路动态响应速度大幅提升，并实现零超调；提升角位置回路对各种扰动的抑制能力方面，相同扰动条件下转动规划定位控制方法相对传统控制方法定位精度更优；本发明采用非线性误差反馈可以获得比线性反馈更小的稳态误差和更快的扰动响应；采用在原点附近具有线性段的连续幂次函数，形成非线性误差反馈避免了由于符号函数造成的高频颤振现象的出现。附图说明图1为本发明控制方法与传统控制方法电机转动定位过程跟踪示意图；图中，θerror为原始角度定位指令误差，θorgin_2为原始角度定位指令数值，θout_new(k)为k时刻（采样周期）角度传感器输出的角度，θnew(k)为k时刻（采样周期）重构指令角度，θout_old为上一次角度传感器输出的角度。图2为本发明控制方法对原始角度误差规划后形成的速度值示意图；图中，t为时间,单位为秒（s），v°为原始角度误差规划后的速度值（即每秒变化量）。图3为本发明规划后从当前位置至目标位置过渡（定位）过程示意图；图中，t为时间，单位为秒（s）。图4为本发明实施例机电产品电机转动定位信息流程图。图5为本发明实施例1使用传统超前控制方法对机电产品电机转动角度进行定位、指令定位角度为5°时定位信息记录图，纵轴代表电机转动角度、横轴代表转动时间、曲线代表角度传感器输出的角度，定位误差＜0.1°、超调量20%、过渡过程时间0.16s。图6为本发明实施例1使用传统超前控制方法对机电产品电机转动角度定位、指令定位角度为10°时定位信息记录图，纵轴代表电机转动角度、横轴代表转动时间、曲线代表角度传感器输出的角度，定位误差＜0.1°、超调量32%、过渡过程时间0.27s。图7为本发明实施例1使用传统超前控制方法对机电产品电机转动角度定位、指令定位角度为15°时定位信息记录图，纵轴代表电机转动角度、横轴代表转动时间、曲线代表角度传感器输出的角度，定位误差＜0.1°、超调量37%、过渡过程时间0.36s。图8为本发明实施例1使用本发明控制方法对机电产品电机转动角度进行定位、指令定位角度为5°时定位信息记录图，纵轴代表电机转动角度、横轴代表转动时间、曲线代表角度传感器输出的角度，定位误差＜0.1°、超调量2.0%、过渡过程时间0.16s。图9为本发明实施例1使用本发明控制方法对机电产品电机转动角度进行定位、指令定位角度为10°时定位信息记录图，纵轴代表电机转动角度、横轴代表转动时间、曲线代表角度传感器输出的角度，定位误差＜0.1°、超调量2.1%、过渡过程时间0.18s。图10为本发明实施例1使用本发明控制方法对机电产品电机转动角度进行定位、指令定位角度为15°时定位信息记录图，纵轴代表电机转动角度、横轴代表转动时间、曲线代表角度传感器输出的角度，定位误差＜0.1°、超调量1.5%、过渡过程时间0.22s。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详尽描述，实施例中未注明的技术或产品，均为现有技术或可以通过购买获得的常规产品。实施例1:实施对象为某机电产品，采用力矩电机驱动，电机携带负载在各种扰动下进行旋转运动，电编码器角度传感器测量电机转动过程的实时转动角度，通过本发明方法产生控制信息驱动电机转动定位，其定位信息流程如附图4所示。本案例采用的电机高速高精度转动规划定位控制方法包括以下步骤：步骤一、机电产品首次进入“高速高精度转动规划定位控制方法”，初始化各中间状态变量，并将θorgin_1赋值为361°；步骤二、获取机电产品原始角度定位指令数值θorgin_2，及该时刻角度传感器输出的角度θout_new(k)；k为机电产品角度回路离散控制的角度采样时刻（采样周期），第1次执行步骤二时k=1，第2次执行步骤二时k=2，以此类推；将k=1时的θout_new(1)值赋值给上一次角度传感器输出的角度θout_old，即θout_old=θout_new(1)；步骤三、判断原始角度定位指令数值，若θorgin_2≠θorgin_1，则对所有中间过程状态变量进行初始化为零，并将θorgin_2的值赋值给θorgin_1，即θorgin_1=θorgin_2；本步骤的目的是当检测到指令θorgin_2发生变化时，对所有中间过程状态变量进行初始化为零；由于指令θorgin_2的数值范围为圆的角度范围0°-360°，因此第1次执行步骤三时，θorgin_2一定不等于θorgin_1，所有中间过程状态变量会进行初始化为零；步骤四、对接收到的角度传感器输出的角度θout_new(k)数值按照常规的异常值剔除算法进行异常值剔除处理，即对接收到的θout_new(k)数值按照常规的异常值剔除算法进行异常值剔除处理；采用在第k时刻和k+1时刻间进行5次采样，得到θout_new(k1)、θout_new(k2)、θout_new(k3)、θout_new(k4)、θout_new(k5)，采用冒泡排序算法将5个数由大到小进行排列，去掉最大值和最小值，对剩下的3个角度求平均或者取中间值，即实现对异常值的剔除；步骤五、计算原始角度定位指令误差θerror，即原始角度定位指令θorgin_2与角度θout_old间的偏差：θerror=θorgin_2-θout_old；步骤六、通过f函数对步骤五获取的原始角度定位指令误差θerror进行误差量规划，以一定的加速度数值对误差量进行追踪，实现在零误差至1/2θerror时匀加速跟踪，在1/2θerror至θerror间匀减速跟踪；即将θerror输入式（1）、（2）中求出k时刻规划后的偏差信号θe1(k)，（1）（2）式（1）的输入量为θerror、r、h、t，输出量为规划后的偏差信号，式中，θerror为原始角度定位指令误差、r为加速度因子，h为滤波因子，t为积分步长，其它参数均为中间变量；步骤七、通过步骤六获取规划后的偏差信号θe1(k)，生成新的电机转动定位重构指令角度：θnew(k)=θout_old+θe1(k)，并计算重构指令误差：θerror_new(k)=θnew(k)-θout_new(k)；步骤八、通过式（3）和（4）对步骤七得到的重构指令误差θerror_new(k)进行非线性误差处理，得到电机转动定位控制量信号uc（k）：（3）（4）式中，e=θerror_new(k)为表示误差信号，δ为线性段的区间长度，，uc（k）为非线性误差处理后的电机转动定位控制量信号，kif为积分增益，kpf为比例增益，kdf为微分增益，其它参数均为中间变量；步骤九、将步骤八得到的uc（k）信号传送至功率驱动器件，控制电机转动定位。针对本案例，对实施结果进行了测试，记录电机转动动态性能和稳态数值，并与采用传统超前控制方法的结果进行对比，具体测试条件如下：位置指令：每次选取0°-360°间任意数值；转动结构：携带的负载转动惯量变化0-15间任意数值。完成测试环境搭建，依据上述九个步骤进行控制器编写、参数调试。在传统超前控制方法和本发明控制方法下，分别对机电产品电机转动定位的角度为5°、10°、15°时，记录的定位信息图如附图5-10、记录的定位信息如下表：从上表和附图5-10可以看出，采用本方法可显著提高机电产品电机转动定位的响应性能和定位精度。实施例2:实施对象为码垛机器手产品，采用无刷电机驱动，增量编码器测量机械手转动过程的实时转动角度，码垛机器手完成货物抓取后的码垛功能，通过本发明方法产生控制信息驱动电机带动机器手转动定位，其定位信息流程如附图4所示，所采用的电机高速高精度转动规划定位控制方法具体步骤与实施例1相同。针对本案例，对实施结果进行了测试，记录电机转动动态性能和稳态数值，并与采用传统超前控制方法的结果进行对比，具体测试条件如下：机械手转动角度为设定固定值做往复转动：指令值为+θ或-θ；机械手抓取的货物重量为固定值：mkg；在上述条件下记录机械手码垛的效率。完成测试环境搭建，依据本发明电机高速高精度转动规划定位控制方法的九个步骤进行控制器编写、参数调试。在传统超前控制方法和本发明控制方法下，分别对机械手的码垛效率进行记录，得到对比结果如下表：实施例3：实施对象为某高精度伺服系统产品，采用交流永磁同步电机驱动，旋转变压器作为角度传感器，为实现高精度定位控制，传统控制方法需采用三环控制方式，半案例采用本发明方法产生控制信息驱动电机转动定位，仅需单位置环调整即可实现更好的动态过程和精度，其定位信息流程如附图4所示，所采用的电机转动定位控制方法具体步骤与实施例1相同。针对本案例，对实施结果进行了测试，记录电机转动动态性能和稳态数值，并与采用传统超前控制方法的结果进行对比，具体测试条件如下：项目控制系统调试时间控制效果超前控制方法三环调整时间3.5天，人员成本较高无超调时，定位过渡过程时间1.8s本发明方法单环调整时间1.5天，人员成本较低无超调时，定位过渡过程时间1.1s上面结合附图对本发明的技术内容作了说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对本发明的技术内容做出各种变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12