干扰观测器在嵌入式运动控制中的实现方法
【专利摘要】一种高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，包括级联方式实现高阶干扰观测器，有效避免了计算过程中量化误差和截断误差带来的影响，保证了高阶干扰观测器在定点DSP中的运算精度；采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式，在定点DSP中实现高阶干扰观测器，既不影响数字控制量的运算精度，又能缩短了程序的运行时间，从而减小干扰观测器的延时，提高响应的速度。
【专利说明】干扰观测器在嵌入式运动控制中的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及运动控制【技术领域】中的嵌入式运动控制器开发与设计，具体是一种高阶干扰观测器在DSP中的实现方法。
【背景技术】
[0002]干扰观测器(DisturbanceObserver,DOB)的概念是由 K.0hnishi 于 1987 年提出的，其基本思想是:将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异作为一个补偿信号等效到控制输入端，以消除外部力矩干扰和内部模型摄动对系统性能的影响，实现对外部干扰和内部模型摄动的有效抑制。干扰观测器既能有效地解决模型不确定性、干扰及非线性问题，又能够动态补偿系统相位滞后问题，因此被广泛地应用于高性能的伺服系统中，如飞行器轨迹规划优化控制、控制力矩陀螺的磁轴承轴向力控制和引线键合设备高加速度直线电机平台快速高精度定位控制等。
[0003]然而，在实际工程应用中，干扰观测器多采用算法和运动控制器分离的工作方式，即上位机进行算法运算并将计算数据传送给底层的运动控制器来执行，底层运动控制器接收上位机数据进行相应滤波后直接通过D/A转换模块将控制量传递给驱动器驱动被控对象完成相应的运动。这是由于在保证系统高精度运动的同时，高性能的干扰观测器控制算法也带来了计算量大、计算时间长及计算精度高等问题。虽然这种上位机和运动控制器分离的工作方式易于在实际应用中实现并且合理利用了彼此的资源，但是这种方式也带来了反馈延时和执行延时的问题，开发人员需要更多的技术来解决此方式带来的问题。
[0004]目前，为了合理解决延时问题和有效降低生产成本，研究人员致力于在充分考虑数据长度和精度及程序运行时间等问题的前提下，将此种高性能控制算法集成于低成本的嵌入式运动控制器中，尤其是定点DSP控制器。
[0005]经检索发现，中国专利申请号为200910077755.0，名称为“一种基于干扰观测器的高精度磁轴承轴向控制方法”中涉及的干扰观测器是在浮点DSP (型号TMS320VC33)中进行应用的。然而，该专利对所用干扰观测器实现的方法未作说明。
[0006]经检索又发现，C.Liu 等在文献 “High precision embedded control of ahigh acceleration positioning system” (Intelligent Robotics and Applications,Springer, 2012, pp.551 - 560)中提及的干扰观测器是在定点DSP芯片中采用float形式实现其应用的。采用float形式在定点DSP中编程可以有效地保证运算精度，但是这种方法也给程序开发人员带来了程序运行时间过长的缺点。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，在保证运算精度的前提下，缩短程序的运行时间，以减小干扰观测器的延时，同时采用功耗低、价格便宜的定点DSP，可有效降低生产成本。
[0008]本发明提供的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，包括两个部分:采用级联方式实现高阶干扰观测器，以及采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式实现高阶干扰观测器。
[0009]定点DSP由于计算位数的限制，存在数据截断和舍入误差，用于实现高阶干扰观测器，不能保证运算精度。本发明中采用级联方式实现高阶干扰观测器，在充分考虑定点DSP计算位数的前提下，合理分配计算变量，有效避让了数据截断，保存了更多的有效数字，从而保证运算精度。
[0010]依据伺服系统特点和定点DSP芯片的特点，本发明中采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式实现高阶干扰观测器。通过合理分配级联型高阶干扰观测器中各变量的格式，如采用整型格式定义位移反馈信号，采用浮点格式定义DA转换芯片的输入等，有效避免了舍入误差的带来的影响，在保证计算精度的前提下，缩短了程序的运行时间，提高了高阶干扰观测器的响应速度。 [0011]本发明提供的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，包括以下步骤:
[0012](I)将分子为一阶、分母为高阶的二项式低通滤波器Q(S)，设计为多个级联的滤波器，并进行欧拉变换；
[0013](2)对基于名义模型逆和二项式低通滤波器的乘积项，进行级联展开，得到多个级联关系式，并进行欧拉变换；
[0014](3)采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式，在定点DSP中实现高阶干扰观测器；
[0015]高阶是指三阶或三阶以上。
[0016]进一步地,步骤(3)包括以下步骤:
[0017](31)采用浮点格式的变量保存运动控制器的数字控制量，数字控制量包括上一个伺服周期的数字控制量和上上个伺服周期的数字控制量；
[0018](32)将浮点格式的变量进行IQ格式转换，并使用转换后的变量，进行二项式低通滤波器Q (s)的多个级联的滤波器的实现；
[0019](33)采用整型格式的变量保存运动控制器相应的光电编码器或光栅尺反馈信号，包括本伺服周期的数字量和上一个伺服周期的数字量；
[0020](34)将整型格式的变量进行IQ格式转换，并使用转换后的变量，进行基于名义模型逆和二项式低通滤波器的乘积项的级联关系式的实现；
[0021](35)将基于名义模型逆和二项式低通滤波器的乘积项，减去二项式低
通滤波器Q(s)，得到IQ格式的数据，作为干高阶扰观测器上一个伺服周期的数字控制量，将上一个伺服周期的数字控制量转换为浮点格式。
[0022]根据伺服系统的特点，采用整型格式保存光电编码器或光栅尺反馈信号，并转换为IQ格式参与相应的运算。
[0023]进一步地，欧拉变换为:
I — ζ~ι
[0024]S =
I，
[0025]其中，T为离散系统的采样周期。
[0026]进一步地，名义模型逆为:
【权利要求】
1.一种高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将分子为一阶、分母为高阶的二项式低通滤波器Q(S)，分解为多个级联的滤波器，并进行欧拉变换； (2)对基于名义模型逆和所述二项式低通滤波器的乘积项进行级联展开，得到多个级联关系式，并进行欧拉变换； (3)采用整型格式、浮点格式与IQ格式结合的方式，在所述定点DSP中实现所述高阶干扰观测器； 所述高阶是指三阶或三阶以上。
2.如权利要求1所述的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，步骤(3)包括以下步骤: (31)采用浮点格式的变量保存运动控制器的数字控制量，所述数字控制量包括上一个伺服周期的数字控制量和上上个伺服周期的数字控制量； (32)将所述浮点格式的变量进行IQ格式转换，并使用转换后的变量，进行所述二项式低通滤波器Q(s)的多个所述级联的滤波器的实现； (33)采用整型格式的变量保存所述运动控制器相应的光电编码器或光栅尺反馈信号，包括本伺服周期的数字量和上一个伺服周期的数字量； (34)将所述整型格式的变量进行IQ格式转换，并使用转换后的变量，进行所述基于名义模型逆和所述二项式低通滤波器的乘积项I)的所述级联关系式的实现； (35)将所述基于名义模型逆和所述二项式低通滤波器的乘积项ΟΟΟβΛν)，减去所述二项式低通滤波器Q(S)，得到IQ格式的数据，作为所述干高阶扰观测器的数字控制量，并转换为浮点格式。
3.如权利要求1所述的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，所述欧拉变换为:
4.根据权利要求1所述的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，所述名义模型逆为:
5.根据权利要求1所述的一种高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)中的IQ格式为定点DSP支持的IQ math库中的_iq类型。
6.根据权利要求1所述的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，所述高阶为三阶。
7.根据权利要求6所述的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，所述二项式低通滤波器的级联关系为:
8.根据权利要求7所述的高阶干扰观测器在定点DSP中的实现方法，其特征在于，所述基于名义模型逆和低通滤波器的乘积项为
【文档编号】G05D3/20GK103645750SQ201310625834
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】刘超, 熊振华, 吴建华, 汪辉 申请人:上海交通大学