舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法及装置与流程

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法及装置。

背景技术：

舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前，在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人，无人机，导弹及工业上已经得到了普遍应用。

舵机主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的ic驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。

电动舵机是飞行器的重要执行机构，接收电动舵机控制指令，控制舵片偏转，实现飞行器姿态的控制。电动舵机系统的可靠性对飞行器的安全性有着重要影响，而电动舵机在执行阶跃指令时出现的尖峰电流对电动舵机及飞行器造成巨大的安全隐患。目前多采用设计硬件电路设计电流环，实现电流的输入保护，在设计时为保证主处理器性能，需对电流采集电路进行隔离设计，一定程度上增加了系统的成本、体积，同时增加了系统的复杂度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法及装置，不需要增加电流采集电路、隔离电路，通过简单的软件设计便可完成对电动舵机尖峰电流的抑制，成本低、可靠性高、不增加硬件体积，尖峰电流的抑制效果可通过软件调整参数实现，操作简单，通过软件增加电机加速度限制器，实现尖峰电流的抑制，不依赖硬件电流环电路，具有较好的通用性。

第一方面，提供一种舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法，所述舵机伺服系统包括位置环控制器、速度环控制器和电机加速度限制器，位置环为外环，输入量为舵机偏转指令、位置反馈信号，输出量为速度环的速度指令，速度环为内环，输入量为速度指令、速度反馈信号、电机加速度限制器的输出信号ev′(k)，输出量为舵机控制的pwm码值，通过脉宽调制实现速度大小及方向的控制，所述电机加速度限制器的输入量为当前速度环拟输入量、上一时刻的第一速度环输入信号、电机最大加速能力值、舵机动态性能指标值，电机加速度限制器的输出量为处理后的第二速度环输入信号，所述方法包括：

获取当前速度环拟输入量；

获取上一时刻的第一速度环输入信号；

确定所述当前速度环拟输入量与所述第一速度环输入信号的差值；

若所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件则将所述当前速度环拟输入量调整为第二速度环输入信号，其中所述第二速度环输入信号的值低于所述当前速度环拟输入量。

可选地，在正向加速时，所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件，包括：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)>m×t；

所述将当前速度环拟输入量调整为第二速度环输入信号，包括：

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)+mt；

其中，t为控制周期。

可选地，在负向加速时，所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件则值，包括：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)<-m×t；

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)-mt；

其中，t为控制周期。

可选地，所述方法还包括：

若以第二速度环输入信号输入后电流超过指标要求，则调整对第二速度环输入信号限制。

可选地，所述方法还包括

若所述舵机性能指标值降低，则调整对第二速度环输入信号限制。

第二方面，提供一种舵机伺服系统的尖峰电流抑制装置，所述舵机伺服系统包括位置环控制器、速度环控制器和电机加速度限制器，位置环为外环，输入量为舵机偏转指令、位置反馈信号，输出量为速度环的速度指令，速度环为内环，输入量为速度指令、速度反馈信号、电机加速度限制器的输出信号ev′(k)，输出量为舵机控制的pwm码值，通过脉宽调制实现速度大小及方向的控制，所述电机加速度限制器的输入量为当前速度环拟输入量、上一时刻的第一速度环输入信号、电机最大加速能力值、舵机动态性能指标值，电机加速度限制器的输出量为处理后的第二速度环输入信号，所述装置包括：

获取单元，用于获取当前速度环拟输入量；

获取单元，还用于获取上一时刻的第一速度环输入信号；

确定单元，用于确定所述当前速度环拟输入量与所述第一速度环输入信号的差值；

第一调整单元，用于若所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件则将所述当前速度环拟输入量调整为第二速度环输入信号，其中所述第二速度环输入信号的值低于所述当前速度环拟输入量。

可选地，所述第一调整单元具体用于在正向加速时：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)>m×t；

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)+mt；

其中，t为控制周期。

可选地，所述第一调整单元具体用于在负向加速时：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)<-m×t；

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)-mt；

其中，t为控制周期。

可选地，所述装置还包括：

第二调整单元，用于在以第二速度环输入信号输入后电流超过指标要求时调整对第二速度环输入信号限制。

可选地，所述装置还包括

第三调整单元，用于在若所述舵机性能指标值降低时调整对第二速度环输入信号限制。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法及装置，在电动舵机伺服系统控制器的速度环中加入电机加速度限制器，将电动舵机速度环的输入信号ev(k)及上一时刻的输入信号ev(k-1)作为电机加速度限制器的输入量，其输出为处理后的速度环输入信号ev′(k)。通过电机自身性能和电动舵机系统性能要求调节电机加速度限制器，可以很好的解决电动舵机的控制器输出饱和问题，同时可以抑制控制器输出量的剧烈波动而引发的舵机瞬时大电流现象，不需要增加电流采集电路、隔离电路，通过简单的软件设计便可完成对电动舵机尖峰电流的抑制，成本低、可靠性高、不增加硬件体积，尖峰电流的抑制效果可通过软件调整参数实现，操作简单，通过软件增加电机加速度限制器，实现尖峰电流的抑制，不依赖硬件电流环电路，具有较好的通用性。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法的示意图；

图2是本发明实施例中提供的舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法的控制逻辑图；

图3是本发明实施例中提供的舵机伺服系统的尖峰电流抑制装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，提供一种舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法，所述舵机伺服系统包括位置环控制器、速度环控制器和电机加速度限制器，位置环为外环，输入量为舵机偏转指令、位置反馈信号，输出量为速度环的速度指令，速度环为内环，输入量为速度指令、速度反馈信号、电机加速度限制器的输出信号ev′(k)，输出量为舵机控制的pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)码值，通过脉宽调制实现速度大小及方向的控制，所述电机加速度限制器的输入量为当前速度环拟输入量、上一时刻的第一速度环输入信号、电机最大加速能力值、舵机动态性能指标值，电机加速度限制器的输出量为处理后的第二速度环输入信号，所述方法包括：

s101、获取当前速度环拟输入量；

s102、获取上一时刻的第一速度环输入信号；

s103、确定所述当前速度环拟输入量与所述第一速度环输入信号的差值；

s104、若所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件则将所述当前速度环拟输入量调整为第二速度环输入信号，其中所述第二速度环输入信号的值低于所述当前速度环拟输入量。

在正向加速时，所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件，包括：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)>m×t；

所述将当前速度环拟输入量调整为第二速度环输入信号，包括：

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)+mt；

其中，t为控制周期。

在负向加速时，所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件则值，包括：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)<-m×t；

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)-mt；

其中，t为控制周期。

若以第二速度环输入信号输入后电流超过指标要求，则调整对第二速度环输入信号限制，若所述舵机性能指标值降低，则调整对第二速度环输入信号限制。

本发明提供的舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法，在电动舵机伺服系统控制器的速度环中加入电机加速度限制器，将电动舵机速度环的输入信号ev(k)及上一时刻的输入信号ev(k-1)作为电机加速度限制器的输入量，其输出为处理后的速度环输入信号ev′(k)。通过电机自身性能和电动舵机系统性能要求调节电机加速度限制器，可以很好的解决电动舵机的控制器输出饱和问题，同时可以抑制控制器输出量的剧烈波动而引发的舵机瞬时大电流现象，不需要增加电流采集电路、隔离电路，通过简单的软件设计便可完成对电动舵机尖峰电流的抑制，成本低、可靠性高、不增加硬件体积，尖峰电流的抑制效果可通过软件调整参数实现，操作简单，通过软件增加电机加速度限制器，实现尖峰电流的抑制，不依赖硬件电流环电路，具有较好的通用性。

本发明的电动舵机系统包括舵机伺服系统控制器、pwm驱动器、无刷直流电机、减速器、速度传感器和位置传感器，其中舵机伺服系统控制器包括位置控制器、速度控制器、电机加速度限制器。舵机伺服系统控制器主要用于接收舵机偏转指令，同时通过速度传感器和位置传感器实时采集舵机的速度和位置信号，并经舵机伺服系统控制器的处理后，输出pwm码值至pwm驱动器，驱动无刷直流电机，进而带动舵面偏转，实现舵机系统的高精度位置跟踪。

如图2所示，本发明的舵机伺服系统控制器主要包括位置环控制器、速度环控制器和电机加速度限制器三部分；位置环为外环，输入量为舵机偏转指令、位置反馈信号，输出量为速度环的速度指令；速度环为内环，输入量为速度指令、速度反馈信号、电机加速度限制器的输出信号ev′(k)，输出量为pwm码值，通过脉宽调制实现速度大小及方向的控制；电机加速度限制器的输入量为当前速度环输入量ev(k)、上一时刻的输入信号ev(k-1)、电机最大加速能力m、舵机动态性能指标，电机加速度限制器的输出量为处理后的速度环输入信号ev′(k)，用于替代速度环控制器的输入量ev(k)。

舵机伺服系统控制器在工作过程中，具体为：

(1)正向加速过程中，若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力m，即

ev(k)-ev(k-1)>m×t；

此时，对电机加速度限制器的输出量ev′(k)进行限制，将其限制在电机最大加速能力附近，即

ev′(k)＝ev(k-1)+mt；

其中m为电机最大加速能力，t为控制周期(速度采样周期)。

(2)负向加速过程中，若上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值与当前速度环输入量ev(k)超出电机最大加速能力m，即：

ev(k)-ev(k-1)<-m×t；

此时，对电机加速度限制器的输出量ev′(k)进行限制，将其限制在电机最大加速能力附近，即：

ev′(k)＝ev(k-1)-mt

其中m为电机最大加速能力，t为控制周期(速度采样周期)。

(3)若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值在电机最大加速能力范围内，电机可以满足加速的需求，则电机加速度限制器不工作，本领与普通技术人员可以了解，具体不作赘述。

按照本发明完成上述设计后，给舵机发送舵机性能测试指令，并监测舵机性能及舵机电流，若尖峰电流仍超出指标要求，可通过参数调整增强对ev′(k)的限制；若舵机性能指标有所下降，可通过参数调整削弱对ev′(k)的限制。

本发明的电动舵机尖峰电流抑制方法不需要硬件电流环电路，经电机加速度限制器后，可以有效抑制舵机的电流波动，抑制电动舵机的尖峰电流，通过试验证明，可将电动舵机60a左右的尖峰电流抑制至8a左右。

结合图3所示，提供一种舵机伺服系统的尖峰电流抑制装置，所述舵机伺服系统包括位置环控制器、速度环控制器和电机加速度限制器，位置环为外环，输入量为舵机偏转指令、位置反馈信号，输出量为速度环的速度指令，速度环为内环，输入量为速度指令、速度反馈信号、电机加速度限制器的输出信号ev′(k)，输出量为舵机控制的pwm码值，通过脉宽调制实现速度大小及方向的控制，所述电机加速度限制器的输入量为当前速度环拟输入量、上一时刻的第一速度环输入信号、电机最大加速能力值、舵机动态性能指标值，电机加速度限制器的输出量为处理后的第二速度环输入信号，所述装置包括：

获取单元301，用于获取当前速度环拟输入量；

获取单元301，还用于获取上一时刻的第一速度环输入信号；

确定单元302，用于确定所述当前速度环拟输入量与所述第一速度环输入信号的差值；

第一调整单元303，用于若所述差值与所述电机最大加速能力值的比较结果符合预设条件则将所述当前速度环拟输入量调整为第二速度环输入信号，其中所述第二速度环输入信号的值低于所述当前速度环拟输入量。

可选地，所述第一调整单元303具体用于在正向加速时：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)>m×t；

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)+mt；

其中，t为控制周期。

可选地，所述第一调整单元303具体用于在负向加速时：

若当前速度环输入量ev(k)与上一时刻的输入信号ev(k-1)的差值超出电机最大加速能力值m，则确定符合预设条件，计算公式为：

ev(k)-ev(k-1)<-m×t；

对当前速度环拟输入量ev(k)调整为第二速度环输入信号ev′(k)，具体为：

ev′(k)＝ev(k-1)-mt；

其中，t为控制周期。

可选地，所述装置还包括：

第二调整单元304，用于在以第二速度环输入信号输入后电流超过指标要求时调整对第二速度环输入信号限制。

可选地，所述装置还包括

第三调整单元305，用于在若所述舵机性能指标值降低时调整对第二速度环输入信号限制。

本发明提供的舵机伺服系统的尖峰电流抑制装置，在电动舵机伺服系统控制器的速度环中加入电机加速度限制器，将电动舵机速度环的输入信号ev(k)及上一时刻的输入信号ev(k-1)作为电机加速度限制器的输入量，其输出为处理后的速度环输入信号ev′(k)。通过电机自身性能和电动舵机系统性能要求调节电机加速度限制器，可以很好的解决电动舵机的控制器输出饱和问题，同时可以抑制控制器输出量的剧烈波动而引发的舵机瞬时大电流现象，不需要增加电流采集电路、隔离电路，通过简单的软件设计便可完成对电动舵机尖峰电流的抑制，成本低、可靠性高、不增加硬件体积，尖峰电流的抑制效果可通过软件调整参数实现，操作简单，通过软件增加电机加速度限制器，实现尖峰电流的抑制，不依赖硬件电流环电路，具有较好的通用性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种舵机伺服系统的尖峰电流抑制方法及装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。