本发明涉及机器人行业中的交流伺服驱动器领域，特别涉及一种基于预估算和滑模观测法控制伺服驱动器的方法。
背景技术
随着经济的发展和生活水平的提高，为了满足工厂自动化的生产，工业机器人代替人类进行恶劣环境工况和重复性工况的工作。其中机器人行业用交流伺服驱动器拖动伺服驱动器进行给定指令的运动，进而完成上位主控制器规划的轨迹运行，有着广泛和普及的应用。
智能机器人能够代替人类进行工作，在一个机器人自动化系统中，机器人只是系统中的一部分，这个系统通常包括plc系统，机器人整机(包括本体的控制器部分、实现多轴同步运行的拖动装置即交流伺服驱动器和交流伺服驱动器和精密减速器)、外围传感器等。
交流伺服系统(包括交流伺服驱动器和交流伺服驱动器)因为具有较高的功率密度、响应速度快和过载能力强等优点被用于智能工业机器人领域中，交流伺服驱动器和伺服驱动器用于机器人系统中已经是一种普遍的一种应用状态。目前机器人行业通用的交流伺服系统均有位置信号反馈单元，即绝对式光电编码器，通过电气线缆将反馈回来的信号传送给伺服驱动器装置中，完成整体的控制。而且在工业六轴机器人的使用中，驱动器出现故障的地方大多数是由于光电编码器受到碰撞而损坏，无法进行反馈信号的输出。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于预估算和滑模观测法控制伺服驱动器的方法，解决了必需依赖光电编码器进行信号反馈的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种基于预估算和滑模观测法控制伺服驱动器的方法，其技术要点是，包括以下步骤：
输入指令的步骤，通过实时总线下发控制伺服驱动器位置的位置信号指令，控制伺服驱动器旋转速度的速度信号指令、控制伺服驱动器转矩的转矩信号指令给伺服驱动器；
输入指令的步骤，通过实时总线下发控制伺服驱动器位置的位置信号指令，控制伺服驱动器旋转速度的速度信号指令、控制伺服驱动器转矩的转矩信号指令给伺服驱动器；
预估算控制的步骤，伺服驱动器利用预估算方法估算伺服电机启动时的第一电角度，根据伺服驱动器接收的旋转速度指令估算伺服电机启动所需的电角度；
预启动控制调节的步骤，判断预估算出的位置是否达到伺服电机启动所需的位置，若达到则电机启动，启动后切换到滑膜观测器控制；
滑膜观测器控制的步骤，估算伺服电机正常工作时的第二电角度，根据伺服电机实时的三相电流和电压值估算伺服电机的实时电角度的位置，利用实时电角度获取伺服电机的旋转速度；
启动控制调节的步骤，判断经滑膜观测器估算出的位置是否达到位置信号指令所要求伺服电机到达的位置，若达到则电机停止运行。
上述方案中，在输入位置信号指令、速度信号指令和转矩信号指令后，将上述模拟信号转化为数字信号，并进行滤波及平滑处理。
上述方案中，所述的预估算方法包括以下步骤：
首先，根据速度信号指令给定的旋转速度值n,计算同步旋转的频率f，公式为：
n＝60*f/p
式中，f为同步旋转的频率，p为交流伺服电机的极对数；
其次，计算交流伺服电机每个周期旋转的角速度w，公式为：
w＝2*pi*f
最后,确定每个pwm周期需要增加的角度值θ，公式为：
θ＝w*t
本发明的有益效果是：该基于预估算和滑模观测法控制伺服驱动器的方法，省去了繁琐的位置反馈单元和电气线缆，通过自主设计的预估算和滑模观测器来代替位置反馈单元，用软件算法的方式代替光电编码器的作用，实现整个交流伺服驱动器的闭环控制，其简化了安装尺寸并节约了成本，降级了光电编码器故障给整机系统带来的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中预估算和滑模观测法相结合控制交流伺服驱动器的控制原理图；
图2为本发明实施例中预估算和滑模观测法的原理框图。
具体实施方式
使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图2和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
伺服驱动器包括整流稳压电路、ipm逆变电路、逻辑门电路fpga、数字信号处理器dsp(型号为tms320f28335)，电流传感器、光耦隔离电路、驱动保护电路以及故障检测和保护电路，其中dsp包括adc模块、svpwm发生器、flash存储器单元(图中未示出)、外扩fram及ram单元(图中未示出)。dsp和fpga两类mcu芯片是通过并行总线的方式连接，其中整流稳压电路是将外部供电电源转换为直流电源，给ipm逆变电路提供母线电压，dsp的ad模块处理一些模拟量输入信号,例如：母线电压的检测值，svpwm为空间电压矢量控制，该部分的输出作为pwm发生器的输入，最后生成脉宽信号用于电机控制，fpga做电机电流信号的检测和处理以及一些故障信息的处理。
本实施例中采用的基于预估算和滑模观测法控制伺服驱动器的方法，以输入速度指令为例，包括以下步骤，
输入指令的步骤，上位机控制器通过实时总线技术给驱动器速度指令，控制伺服电机旋转速度的速度信号指令。例如设定输入的速度信号指令中指定的速度为600rpm。
在上位机控制器输入速度信号指令后，驱动器控制系统会将其转化为标幺值信号，并进行一阶滤波及平滑处理。本实施例中的平滑处理是通过加减速函数完成的，加减速函数实现的方式是速度信号由零上升到设定值，设定好到达指令速度的时间为t，该时间t可以通过上位机人为的设定，只要不超过系统限制的范围即可，根据如下公式计算速度：
v＝a*t
式中，a表示加速度，t表示加速时间。
计算出每个pwm周期需要增加的步长，带入到加减速函数中即可。
例如，假设加速时间设定为5ms，那么有以下关系：
600rpm＝0.1r/ms
5ms＝5*1000us
若dsp的中断频率选择20khz，因此每周期的运行时间为1/20k＝50us
那么加速时间5ms，需要5*1000/50＝500(次)中断周期执行完。
若是需要5ms的时间让电机从0r/ms～0.1r/ms的速度,即需要执行500个周期从0r～0.1r的变化，那么每一次需要增加的速差为0.1/500＝1/5000(r)。
预估算控制的步骤，伺服驱动器利用预估算方法估算伺服电机启动时的第一电角度，根据伺服驱动器接收的旋转速度指令估算伺服电机启动所需的电角度。预估算控制是在mcu单元的pwm中断中进行，前提是接收到了控制器下发的速度指令信号，估算出每个pwm中期应该旋转的角度值θ。
预启动控制调节的步骤，随着每个周期时间的增长，实时的角度估算值满足了电机的启动位置，促使电机启动。
滑模观测器控制的步骤，估算伺服电机正常工作时的第二电角度，根据伺服电机实时的三相电流和电压值估算伺服电机的实时电角度的位置，利用实时电角度获取伺服电机的旋转速度，具体为：
电流传感器采集到的电流信号和电压信号发送给fpga，fpga将电流传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，然后传递给dsp。dsp利用滑模观测器信息估算旋转速度和位置是否达到输入指令所需的旋转速度和位置。
利用位置控制器接收通过ethercat通信方式发送来的位置信号指令，获取位置信息的给定值。利用速度控制器接收经预估算和滑块观测器的计算获取的速度信号反馈值。利用矢量控制器接收经预估算和滑块观测器的计算获取的电角度位置反馈值。利用直接转矩接收来自于fpga的转矩信息。利用svpwm发生器产生六路pwm输出信号。
本实施例中包括二闭环控制，
一是进行外环速度环指令的闭环控制，给定为上位发送过来的，反馈是根据位置角估算出来的速度，经过速度环的pi控制器以后，进入到转矩控制闭环中。
二是转矩闭环。即电流闭环控制，给定指令为速度环的输出，反馈为硬件电中的电流采样传感器反馈回来的电流、电压信号，通过电流pi控制器以后，进入矢量控制阶段；
矢量控制是通过svpwm空间电压矢量控制以后，形成电机旋转需要的脉宽，开启dsp的pwm单元，输出的脉宽信号通过驱动板进行电机给定的高精度控制。
启动控制调节的步骤，判断经滑模观测器估算出的位置是否达到位置信号指令所要求伺服电机到达的位置，若达到则电机停止运行。
本实施例中，采用基于预估算和滑模观测法控制伺服驱动器对伺服电机进行调节，首先通过ethercat将速度给定值指令通过上位机发送到交流伺服驱动器中，然后通过滤波和平滑处理以后与通过预估算和滑模观测器提供的速度值做闭环处理，然后输出转动速度信号，通过滤波和通过预估算和滑模观测器提供的速度反馈值做闭环控制以后输出电流环的给定信号，电流环给定与反馈回来的坐标变换以后的电流信号做闭环处理以后生成pwm调制波，驱动伺服电机。
本实施例中所有闭环处理部分均由dsp完成。图1所述中生成的pwm波形以后，送到ipm逆变电路中，通过开关管的通断生成被控对象所需的斩波电压，开关管的母线电压由整流部分提供，整流稳压电路的输入就是外部给定的市网电源。
通过预估算和滑膜观测器来代替编码器反馈单元，提供伺服电机的实时速度和电角度值，实现反馈值的准确计算，由于smo的方式在实际的机器人伺服控制系统中，难以实现快速自启动，因此设计预估算算法进行启动瞬间电角度的实时位置计算，启动以后将可能给孩子模式切换到smo中，提高了整机系统的快速性和鲁棒性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。