电机控制系统中低频信号小相位误差滤波控制方法与流程

本发明涉及一种数字滤波技术，具体说，是一种电机控制系统中低频信号小相位误差滤波控制方法。

背景技术：

数字滤波是数字信号处理的常用手段，但普通的数字滤波器在滤波时存在一定的相移。在电机控制中，特别是对电机的位置控制中，位置信号通常为低频信号，若需要对位置信号做滤波处理，则会产生相位滞后，导致位置误差，影响了电机的控制性能。

为解决相位滞后导致的位置误差问题，前人研究了小相位误差滤波、零相位滤波等方法。其中，hisashikataoka等人在《trackingcontrolforindustrialrobotusingnotchfilteringsystemwithlittlephaseerror》一文中介绍了小相位滤波方法的原理和设计方法，在对位置信号滤波的同时，增加了速度前馈补偿用来提高响应，减小了相位滞后和位置误差，该方法在机器人指令处理上得到了应用。

然而，该小相位误差滤波方法在使用时，若速度前馈补偿过大，滤波后的位置信号会出现超调现象，限制了该方法的性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，为了克服现有技术存在的缺陷，提出了电机控制系统中低频信号小相位误差滤波控制方法。相比传统的小相位误差滤波方法，本发明方法可使滤波后的信号没有超调，相位滞后和位置误差更小。

本发明的基本思路是：基于小相位误差滤波的思想，在对位置信号滤波的同时，增加一个速度前馈补偿用来提高响应，然后对该结构进行变换，同时增加一个加速度前馈补偿，用来消除速度前馈补偿过大时引起的超调，使滤波方法对相位滞后的补偿效果更好，减小了相位滞后。

基于上述技术思路，本发明为实现发明目的提出的技术方案是：

电机控制系统中低频信号小相位误差滤波控制方法，其步骤如下：

步骤1，低频信号小相位误差滤波过程中，在对位置信号滤波时，增加一个速度前馈补偿。

首先，给定滤波器的输入量为一个位置信号p(s)，设置滤波器为二阶低通滤波器，传递函数为gf(s)，则经过普通二阶低通滤波器得到的输出信号为y1(s)＝p(s)·gf(s)；其中s为拉普拉斯变换算子。

然后，根据小相位误差滤波的思想，对位置信号p(s)进行微分处理得到速度信号s(s)，速度信号s(s)经过滤波器gf(s)滤波后，得到y2(s)信号，y2(s)＝s(s)·gf(s)，对信号y2(s)一方面进行积分处理得到位置信号y3(s)，一方面乘以速度前馈补偿系数k1得到速度前馈补偿量y4(s)＝y2(s)·k1，将二者相加，可得到小相位误差滤波的输出信号为y5(s)＝y3(s)+y4(s)，k1的设置范围为1>k1≥0，具体值需要调试，k1越大，滤波后的信号相位滞后越小，但k1过大，滤波后的信号会有超调，以滤波后的信号没有超调，且相位滞后最小为优。

步骤2，对小相位误差滤波的控制结构进行变换，同时，增加一个加速度前馈补偿，

首先，位置信号p(s)经过二阶低通滤波器得到的输出信号为y1(s)＝p(s)·gf(s)，对信号y1(s)进行微分处理得到滤波后的速度信号s1(s)，s1(s)乘以速度前馈补偿系数k1得到速度前馈补偿量y6(s)＝s1(s)·k1，那么，得到经过结构变换后的小相位误差滤波的输出信号为y7(s)＝y1(s)+y6(s)；

然后，对滤波后的速度信号s1(s)进行微分处理得到加速度信号a1(s)，a1(s)乘以加速度前馈补偿系数k2得到加速度前馈补偿量y8(s)＝a1(s)·k2，那么，得到改进的小相位误差滤波的输出信号为y9(s)＝y7(s)+y8(s)，k2的设置范围为1>k2≥0，具体值需要调试，k2越大，滤波后的信号相位滞后越小，但k2过大，滤波后的信号会有超调，以滤波前后没有相位滞后且没有超调为优。

本发明方法，基于小相位误差滤波的思想，在对位置信号滤波的同时，增加一个速度前馈补偿用来提高响应，然后对该结构进行变换，同时增加一个加速度前馈补偿，用来消除速度前馈补偿过大时引起的超调，使滤波方法对相位滞后的补偿效果更好，减小了相位滞后；因此，采用本发明的滤波方法，相位滞后小，且没有超调，提升了原有滤波方法的控制效果。

附图说明

图1是普通滤波器控制框图。

图2是现有技术的小相位误差滤波控制框图。

图3是本发明方法的小相位误差滤波控制框图。

图4是对正弦输入信号的滤波控制效果对比。

图5是图4局部放大图。

图6是对阶跃输入信号的滤波控制效果对比。

图7是图6局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：

在matlab中进行仿真，滤波器选用二阶低通滤波器，低通截止频率为7.5hz，控制周期ts＝100us，

滤波器传递函数为：

根据图1构建普通滤波器控制框图，根据图2构建传统的小相位误差滤波控制框图，根据图3构建本发明的改进的小相位误差滤波控制框图。

本发明方法只针对低频信号做滤波，所以选用低频的正弦信号和阶跃信号作为输入。

输入一个带有高频噪声的低频正弦信号：sin6.28t+0.005sin628t，设置速度前馈补偿系数k1＝0.04，加速度前馈补偿系数k2＝0.0002，分别得到经过普通滤波、小相位误差滤波、本发明的改进的小相位误差滤波的输出信号，滤波效果对比如图4所示。

再输入一个幅值为1的阶跃信号，设置速度前馈补偿系数k1＝0.035，加速度前馈补偿系数k2＝0.0004，分别得到经过普通滤波、小相位误差滤波、本发明的改进的小相位误差滤波的输出信号，滤波效果对比如图6所示。

由图中可看出，相对输入信号，经过普通滤波的输出信号有较大的相位滞后，经过小相位误差滤波的输出信号相位滞后较小，但有超调，经过本发明的改进的小相位误差滤波的输出信号保持了小相位误差滤波控制的优点，相位滞后较小，且没有超调。

另外，本发明滤波方法主要针对低频信号，对低频信号滤波后的相位滞后做出补偿，若信号为高频，则其幅频特性会受到较大影响。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种电机控制系统中低频信号小相位误差滤波控制方法，包括以下步骤：低频信号小相位误差滤波过程中，在对位置信号滤波时，增加一个速度前馈补偿；然后，对小相位误差滤波的控制结构进行变换，同时增加一个加速度前馈补偿。本发明方法，基于小相位误差滤波的思想，在对位置信号滤波的同时，增加一个速度前馈补偿用来提高响应，然后对该结构进行变换，同时增加一个加速度前馈补偿，用来消除速度前馈补偿过大时引起的超调，使滤波方法对相位滞后的补偿效果更好，减小了相位滞后；因此，采用本发明的滤波方法，相位滞后小，且没有超调，提升了原有滤波方法的控制效果。

技术研发人员：胥小勇;施海红;崔文;齐丹丹;钱巍;吴波
受保护的技术使用者：南京埃斯顿自动化股份有限公司
技术研发日：2017.10.27
技术公布日：2018.03.27