李鵬飛++汪光森++張向明++歐陽(yáng)斌++張育興

摘 要：現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)中經(jīng)常需要加速度信息來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度反饋控制，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的伺服系統(tǒng)中，通過(guò)基于電機(jī)模型的觀測(cè)器算法估計(jì)出角速度或角加速度，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及采用角加速度傳感器直接測(cè)量的方法，而角加速度傳感器又存在價(jià)格昂貴和技術(shù)指標(biāo)適用范圍窄的問(wèn)題。論文提出了一種角加速度觀測(cè)方案，利用光電編碼器輸出的角位移信號(hào)及觀測(cè)對(duì)象的模型信息，估計(jì)出伺服系統(tǒng)角加速度，并通過(guò)RT-LAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行硬件在回路仿真實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)角位移、角速度和劇烈變化的角加速度的觀測(cè)，效果良好，驗(yàn)證了算法的魯棒性和精確性。論文提出的角加速度觀測(cè)方案還可以應(yīng)用于非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)中，其適用范圍更廣，成本低，更適合工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光電編碼器；角加速度觀測(cè)器；硬件在回路；加速度反饋控制

中圖分類號(hào)：TH113.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Acceleration information is often needed to realize the acceleration feedback control in modern servo control systems， while in the rotary motion form the observer algorithm based on motor model to estimate the angular velocity or angular acceleration is far less than the method to use an acceleration transducer. But the rotating accelerometer is high priced and restricts the application range because of its performance index. The article proposed an angular acceleration algorithm based on angular information measured by photoelectric encoder and model information of the observing object， which can estimate the acceleration of the servo control systems. It can also observe the angular rotation， angular velocity and severely changed angular acceleration with excellent effects which verified the robustness and feasibility through the hardware in the loop simulation based on RT-LAB platform. The proposed algorithm can also suit for servo systems which was not droved by motors and apply more widely， whats more， the low costs make it more suitable for engineering.

Keywords：photoelectric encoder；angular acceleration observer；hardware in the loop；acceleration feedback control

1 引言

伺服系統(tǒng)多數(shù)以位置和速度為跟蹤目標(biāo)[1]，文獻(xiàn)[2]中，劉棟良等針對(duì)永磁同步電機(jī)，利用其定子交軸電流和轉(zhuǎn)速方程構(gòu)造觀測(cè)器，通過(guò)降維線性Luenberger算法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度的估算。文獻(xiàn)[3]中，郭鴻浩等人針對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)提出了角加速觀測(cè)方法，首先通過(guò)構(gòu)建滑模觀測(cè)器觀測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形，再設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器從觀測(cè)得到的反電動(dòng)勢(shì)歸一化波形中提取位置信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)角加速度的估計(jì)，但是擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式較為復(fù)雜，其大小與轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流及微分值有關(guān)，魯棒性較差。且對(duì)于非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸系，這種依賴電機(jī)模型的估計(jì)方法也無(wú)能為力。工程實(shí)踐中，大多數(shù)情況下伺服系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為非勻速運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的角速度觀測(cè)算法僅限于處于穩(wěn)態(tài)的恒定角速度觀測(cè)，對(duì)于動(dòng)態(tài)加減速過(guò)程的角速度或均勻變化的角加速度的觀測(cè)存在較大誤差，并且機(jī)電或液壓等伺服系統(tǒng)由于存在內(nèi)部和外部的干擾、自身參數(shù)的攝動(dòng)等不確定因素，嚴(yán)重影響觀測(cè)算法的性能。因此，對(duì)于旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速觀測(cè)，基于編碼器的方法更為可靠，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的秦曉飛等對(duì)傳統(tǒng)的M/T測(cè)速算法進(jìn)行了改進(jìn)[4]，提出一種基于假脈沖剔除的M/T測(cè)速算法，能夠消除機(jī)械振動(dòng)引起的位置量化誤差，提高了交流伺服系統(tǒng)的測(cè)速性能；北京交通大學(xué)的文曉艷等詳細(xì)討論了M法和T法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用并對(duì)其性能做了詳細(xì)分析[5]，指出工程應(yīng)用中應(yīng)該注意的問(wèn)題。然而這兩種方法并不適用于對(duì)角加速的觀測(cè)，目前基于旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)的方法測(cè)量角加速度存在傳感器價(jià)格昂貴或技術(shù)指標(biāo)適用范圍窄等原因[6]，使得其難以應(yīng)用于角加速度反饋或角速度反饋的控制過(guò)程；基于電機(jī)模型的觀測(cè)器算法估計(jì)角速度或角加速度也是一種常用方法[7-10]，大量實(shí)驗(yàn)表明，基于模型觀測(cè)器估計(jì)算法的加速度反饋控制系統(tǒng)，其控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及基于加速度傳感器的加速度反饋控制系統(tǒng)，Bramde Jager[11]和Ivan Godler[12]等人分別對(duì)此作出了詳細(xì)研究。因此基于位置傳感器和觀測(cè)算法來(lái)有效獲取角速度和角加速度信息是一種折中的選擇。論文采用高階觀測(cè)器算法，能夠觀測(cè)劇烈變化的轉(zhuǎn)速，性能優(yōu)于常規(guī)觀測(cè)算法，且能夠?qū)崿F(xiàn)非劇烈變化的角加速度觀測(cè)，為加速度反饋魯棒控制提供一種有效方法，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了論文提出的加速度觀測(cè)算法的跟蹤性能和算法的可實(shí)現(xiàn)性。

2 光電編碼器工作原理

光電編碼器是由光源、光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成，光柵盤是在固定直徑的圓盤上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔，通過(guò)聯(lián)軸器的帶動(dòng)，當(dāng)光電編碼盤和軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，光源發(fā)光通過(guò)透鏡照射到光敏電阻上，經(jīng)過(guò)檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出脈沖信號(hào)。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

光電編碼器的輸出量有模擬量和數(shù)字量?jī)煞N形式，論文以數(shù)字編碼器為例進(jìn)行研究。數(shù)字增量式編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖信號(hào)，分別為A相、B相和C相， A相與B相的相位差為90度，C相為每轉(zhuǎn)一周輸出一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位，輸出波形如圖2所示。

編碼器旋轉(zhuǎn)方向的判斷是通過(guò)將A相B相輸出值保存起來(lái)，與下一個(gè)A相B相輸出值做比較，通過(guò)編碼時(shí)序就可以判斷出編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，圖2中標(biāo)示出了輸出波形與編碼器旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系，算法的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)判斷編碼器輸出AB兩相的狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序，如圖3所示。

增量式編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)角的方法是通過(guò)讀取脈沖數(shù)的方式計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角度或轉(zhuǎn)速等參數(shù)。而不同規(guī)格型號(hào)的編碼器光柵碼盤上的光柵線數(shù)是不同的，光柵線數(shù)決定每周輸出的脈沖數(shù)量，即影響測(cè)量的精度。采用正交編碼方式可以方便實(shí)現(xiàn)倍頻電路設(shè)計(jì)，提高編碼器測(cè)量精度。

3 三階觀測(cè)器設(shè)計(jì)

6 結(jié)論

為了適應(yīng)伺服控制系統(tǒng)中加速度反饋控制方式對(duì)角加速度進(jìn)行觀測(cè)的需求，論文提出一種基于增量式光電編碼器和觀測(cè)算法相結(jié)合的方法，用于觀測(cè)角加速度變化規(guī)律，并通過(guò)半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，觀測(cè)效果良好，克服了采用旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)價(jià)格昂貴和適用范圍小的問(wèn)題，克服了基于電機(jī)模型純算法估計(jì)的不準(zhǔn)確問(wèn)題，克服了針對(duì)非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)無(wú)法使用估計(jì)算法的問(wèn)題。計(jì)算量小，可以應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，跟蹤性能好，可以實(shí)現(xiàn)角位移，角速度和劇烈變化的角加速度的觀測(cè)，滿足伺服系統(tǒng)的控制需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧紅星，王憲彬，劉咔.角加速度邊界層觀測(cè)器設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（9）：1504-1508.

DENG Hong-xing，WANG Xian-bin，LIU Ka.Design of an angular acceleration boundary observer[J].

JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY，2010，42（9）：1504-1508.

[2] 劉棟良，鄭謝輝，崔麗麗.無(wú)速度傳感器永磁同步電機(jī)反推控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（9）：67-72.

LIU Dong-liang，ZHENG Xie-hui，CUI Li-li.Backstepping Control of Speed Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor[J].TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY，2011，26（9）：67-72.

[3] 郭鴻浩，周波，劉穎，許恩利.永磁無(wú)刷直流電機(jī)角加速度估計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（5）：93-103.

GUO Hong-hao，ZHOU Bo，LIU Ying，XU En-li，You Xia.Angular Acceleration Estimation for a Permanent Magnet Brushless DC Motor[J].TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY，2014，29（5）：93-103.

[4] 秦曉飛，王云寬，鄭軍，于家斌.交流伺服系統(tǒng)振動(dòng)魯棒M/T測(cè)速算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14（5）：97-103.

QIN Xiao-fei，WANG Yun-kuan，ZHENG Jun，YU Jia-bin.Mechanical-vibration-robust M/T speed detection method of AC servo system[J].ELECTRIC MACHINES AND CONTROL，2010，14（5）：97-103.

[5] 文曉燕，鄭瓊林，韋克康，王琛琛.增量式編碼器測(cè)速的典型問(wèn)題分析及應(yīng)對(duì)策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：185-190.

Wen Xiaoyan，Zheng Qionglin，Wei Kekang，Wang Chenchen.Typical Issues Analysis and Corresponding Strategy for Incremental Encoder Speed Measurement[J].TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY，2012，27（2）：185-190.

[6] 郝雙暉，劉勇，劉杰，郝明暉.基于查表原理的單對(duì)磁極編碼器研制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（19）：165-168.

HAO Shuang-hui，LIU Yong，LIU Jie，HAO Ming-hui.Design of Single Pair-pole Magnetic Encoder Based on Looking-up Table[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（19）：165-168.

[7] 王皖君，張為公，李旭.變速器試驗(yàn)臺(tái)慣量電模擬與角加速度估計(jì)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，42（1）：62-66.

Wang Wanjun，Zhang Weigong，Li Xu.Inertia electrical emulation and angular acceleration estimation for transmission test rig[J].JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （Natural Science Edition），2012，42（1）：62-66.

[8] Seung H. Jeong，Seul Jung，and M. Tomizuka.Attitude Control of a Quad-rotor System Using an Acceleration-based Disturbance Observer An Empirical Approach[C].The 2012 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，Kaohsiung，Taiwan， July，2012.

[9] Trong Biên Hoàng，William Pasillas-Lépine，Alexandre De Bernardinis and Mariana Netto.Extended Braking Stiffness Estimation Based on a Switched Observer With an Application to Wheel-Acceleration Control[J].IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY，2014，22（6）：2384-2392.

[10] 王萍，李斌，黃瑞祥，李桂丹.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18（2）：5-8.

WANG Ping，LI Bin，HUANG Rui-xiang，LI Gui-dan.Study of Speed-Sensorless Direct Torque Control System Based on Neural-Network[J].TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY，2003，18（2）：5-8.

[11] Bram de Jager.Acceleration assisted tracking control[J].IEEE Control Systems Magazine，1994，14（5）：20-27.

[12] Ivan Godler，Masahiro Inoue，Tamotsu，Tadashi Yamashita.Robust comparison of control schemes with disturbances observer and with acceleration control loop[J].Industrial Electronics，1999，3：1035-1040.

[13] 韓旭忠，孫穎.高階慣性環(huán)節(jié)狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置的一種簡(jiǎn)易方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（4），118-121.

HAN Zhong-xu，SUN Ying.A SIMPLE METHOD FOR STATE FEEDBACK'S POLE-PLACEMENT IN HIGH-ORDER INERTIA LINK[J].Proceedings of the CSEE，2002，22（4），118-121.

[14] 郭勁，王衛(wèi)兵，陳娟，王挺峰，姜振華.最小節(jié)拍組合控制方法在光電跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，2013，21（10），2594-2601.

GUO Jin，WANG Wei-bing，CHEN Juan，WANG Tiing-feng，JIANG Zhen-hua.Application of minimal prototype control method in opto-electronics tracking system[J].Optics and Precision Engineering，2013，21（10），2594-2601.