用于伺服电机电流环的闭环扰动观测补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，更具体地，涉及一种用于伺服电机电流环的闭环 扰动观测补偿方法。
【背景技术】
[0002] 伺服电机广泛应用于对控制精度要求很高的工业自动控制领域，如数控机床、机 器人、陀螺稳定光电成像设备等，其控制系统一般由位置环、速度环和电流环组成。其中电 流环以电机输出电流为反馈信号构建电流闭环控制环路，使电机输出电流跟踪设定的期望 电流，避免了电机反电动势对电机输出电流的影响，提高了电机的响应速度，减小了电机参 数摄动、外部负载变化等干扰因素对伺服电机控制性能的影响。
[0003] 目前电流环普遍采用比例积分（PI)控制器，闭环控制带宽设计在1000Hz以上，通 过高带宽设计保证对电机参数摄动、外部负载变化等干扰具有较强的抑制能力。
[0004] 然而，根据自动控制基本原理，高带宽设计必然造成闭环系统稳定裕度的下降，降 低了电机参数摄动较大等情况下的控制性能鲁棒性；此外，电流环带宽越高，电机电流输出 受传感器和电路噪声的影响就越大，电流输出与期望电流间的偏差也越大，从而降低了伺 服电机的控制精度。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于伺服电机电流环的闭环扰动观测补偿 方法，该方法在保证了电流环对干扰抑制能力的同时，能够降低对噪声的敏感性，提高伺服 电机的控制精度。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的用于伺服电机电流环的闭环扰动观测补偿方法 包括下述步骤：
[0007] 一、实时采集电流闭环控制环路中反馈回路AD转换模块输出的伺服电机电流数 字信号iss:并将其送入闭环逆模型，根据闭环逆模型公式（1)计算得到包含扰动影响的等 效期望电流issl;
[0009] 其中Gynv(s)为闭环逆模型频域传递函数，Gjs)为电流闭环控制环路的频域传递 函数；
[0010] 二、将步骤一得到的等效期望电流iss i与修正后的期望电流i。相减得到扰动的等 效电流估计，并将其送入补偿器；由补偿器输出期望电流的修正值
[0012] 其中补偿器为一阶低通滤波器，Q(s)为其频域传递函数；
[0014] 式（3)中&为补偿器带宽，s为拉普拉斯算子；
[0015] 三、利用步骤二得到的期望电流的修正值i"对期望电流i ^进行修正得到修正后 的期望电流i。；
[0016] ic= i r- i rx (4)
[0017] 四、将步骤三得到的修正后的期望电流i。作为电流闭环控制环路的输入，对伺服 电机进行实时闭环控制；
[0018] 其中期望电流仁和修正后的期望电流i。的初始值为0。
[0019] 所述电流闭环控制环路带宽&为200~250Hz，补偿器带宽为％，fg= 0.1 f B。
[0020] 所述电流闭环控制环路中伺服电机的频域传递函数为G(s)，
电机驱动模块增益为K"，K"= 4. 5 ;数字控制器采用PI控制，其频域传递函数为C(s)，
[0021] 所述补偿器采用20Hz带宽的一阶低通滤波器。
[0022] 本发明首先采用一个低带宽电流闭环控制环路对伺服电机进行伺服控制，其带宽 不高于250Hz ;然后在该回路之外引入扰动观测和补偿器，对由电机参数摄动、供电电压不 稳等原因造成的干扰进行实时观测和补偿，得到期望电流的修正值，并利用该修正值对期 望电流进行实时修正。
[0023] 电流闭环控制环路中伺服电机和数字控制器的频域传递函数分别为G(s)何 C (s)，电机驱动机构增益为U则电流闭环控制环路的频域传递函数为G。(s);
[0025] 由于扰动观测和补偿的频段范围远小于电流环闭环带宽，因此闭环逆模型可近似 为 1，即 Gc-inv(s) ^ 1。
[0026] 可以推导出采用闭环扰动观测补偿后的电机电流输出表达式：
[0028] 电机参数摄动引起的模型变化记为Λ G(s)，供电电压变化可以用电机驱动模型的 摄动来表示，记为Λ U由上式可见，若Q(s) = 1，则电机电流输出if ip不受模型摄动 Λ G(s)、供电电压变化Λ心和电噪声η ,的影响。
[0029] 为保证算法推导过程中的近似不影响算法的可靠性，Q(s)设计为一阶低通滤波 器，其中fQ为补偿器带宽。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] 1.通过对伺服电机参数摄动等扰动的实时估计与补偿，实现了用一个较低带宽的 电流环控制器，同时满足电机响应的快速性和对扰动抑制能力的要求，避免了高带宽电流 环存在的稳定裕度低的问题。在保证了伺服电机响应速度的同时，具有更高的稳定裕度。
[0033] 2.大幅降低了电流环对电噪声的敏感性，伺服电机电流输出受电噪声的影响较 小，避免了高带宽电流环由于响应电噪声等虚假信号而造成的电机控制精度下降的现象。
[0034] 3.利用闭环系统模型精度优于控制对象（这里是伺服电机）开环模型的原理，使 用电流闭环回路的逆模型进行扰动估计，估计精度高，补偿效果好。
[0035] 4.电流闭环回路的逆模型可以近似为单位增益1，使得算法的实现更加简单。
【附图说明】
[0036] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0037] 图1是本发明的用于伺服电机电流环的闭环扰动观测补偿方法方框图。
[0038] 图2是使用本发明控制的伺服电机电流阶跃曲线图。
[0039] 图3是使用1000Hz高带宽电流环控制的伺服电机电流阶跃曲线图。
[0040] 图4是存在电噪声干扰下，使用本发明控制的伺服电机电流阶跃曲线图。
[0041 ] 图5是存在电噪声干扰下，使用1000Hz高带宽电流环控制的伺服电机电流阶跃曲 线图。
【具体实施方式】
[0042] 如图1所示，现有技术的电流闭环控制环路包括数字控制器，DA转换模块，电机驱 动模块，电流传感器和AD转换模块。数字控制器为DSP芯片TMS320F28335, DA转换模块 采用16位分辨率的DAC8822,电机驱动模块采用SA60,伺服电机使用maxon有刷直流电机 RE60,电流传感器使用霍尔电流传感器ACS714, AD转换模块采用16位分辨率的maxl301。 本发明在电流闭环控制环路之外引入闭环逆模型和补偿器作为扰动观测器，实时估计由伺 服电机参数摄动、供电电压不稳、电流传感器噪声等因素造成的电流输出干扰，并通过补偿 器进行补偿。闭环逆模型和补偿器均在作为数字控制器的DSP芯片中以程序代码实现。
[0043] 本方明的具