电动舵机死区换向替代补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电动舵机伺服控制技术领域，具体涉及一种电动舵机死区换向替代补 偿方法。
【背景技术】
[0002] 电动舵机（EMA)因其体积小、成本低、易于控制等优点，在国内外飞行器上得到较 为广泛的应用。但舵机系统不可避免的存在死区（摩擦、间隙等），在死区不太严重且控制 指标要求不严格的情况下，可以忽略。但是，在做高精度、高带宽的位置跟踪时，忽略死区效 应将产生严重的"平顶"问题，严重影响舵机系统的跟踪精度及带宽，甚至造成飞行器的航 迹抖动，破坏飞行器的稳定性。因此，针对死区的补偿和控制方法必不可少。
[0003]目前，不少学者采用变结构控制、神经网络控制、粒子算法等先进控制理论取得较 好的成果，较好的解决了舵机死区带来的"平顶"问题。但其缺点是：算法较为复杂、运算周 期较长，不易工程化实现，对微处理芯片要求较高；传统的补偿控制器对补偿量的精度要求 较高，导致工程化后补偿效果大大降低；克服死区问题的同时又引入了新的问题。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术对存在死区的舵机位置跟踪系统，做小角度位置正弦跟踪时， 舵机系统存在较大的"平顶"问题，造成较大的位置跟踪误差，进而引发飞行器航迹剧烈抖 动的技术问题，本发明提供了一种简单可靠、易于工程化实现、提高控制精度及速度的电动 舵机死区换向替代补偿方法。该方法在伺服系统控制器中加入死区换向替代补偿控制器， 有效的改善位置跟踪"平顶"问题，提高跟踪精度；由于补偿方式、补偿位置及补偿精度，将 直接影响"平顶"削弱效果和舵机系统的其他性能指标，在设计死区换向补偿控制算法时， 结合舵机旋转方向及偏转误差，在速度环采用换向替代补偿的方式。
[0005] 本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0006] 电动舵机死区换向替代补偿方法，其包括如下步骤：在电动舵机伺服系统控制器 中加入补偿控制器，将电动舵机位置偏转误差e、舵机正常工作下的PffM值、舵机方向信号 输入补偿控制器，其输出为▽ m ;当舵机位置偏转误差e > Θ。（ Θ。是一个大于零极小值，可 根据稳态精度要求进行调整），且舵机位置发生换向时，▽ m = uv。(uv。为舵机正常运转下的 正向PffM码值），代替电动舵机伺服系统控制器中速度PI控制器上一时刻的输出U v (k-Ι)， 得出舵机速度环当前输出为uv(k) = uvQ+(kpv+kiv)ev(k)-k pvev(k-l);当舵机位置偏转误差e < -Θ。，且舵机位置发生换向时，▽ m = uvl (uvl为舵机正常运转下的负向PffM码值），代替 速度PI控制器上一时刻的输出Uv(k-1)，得出舵机速度环当前输出为u v(k) = uvl+(kpv+kiv) ev(k)-kpvev(k-l);在|e|彡I 0。|或者舵机位置未发生换向时，补偿控制器输出Vm为速度 PI控制器上一时刻的输出uv(k-l)。
[0007] 本发明的有益效果如下：
[0008] 1、本发明通过对舵机死区进行补偿，有效地改善了小角度位置正弦跟踪存在的 "平顶"现象，解决了因"平顶"问题而引发的飞行器指令高频颤抖问题。
[0009] 2、本发明采用换向替代补偿的方式，每次换向仅做一次补偿，有效地避免了传统 补偿算法因控制器的频繁补偿而影响舵机系统其他性能指标的问题。
[0010] 3、本发明采用的替换补偿方法对补偿量的精度要求低，可以直接使用舵机正常运 行时PffM值作为补偿值，算法简单、可靠、工程量小，且易于工程化实现，具有较广的适用范 围。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明的电动舵机系统结构框图。
[0012] 图2是本发明的舵机伺服系统控制器工作原理图。
[0013] 图3是本发明的舵机伺服系统控制器计算流程图。
[0014] 图4是本发明的换向替代补偿控制器流程图。
[0015] 图5是引入舵机死区换向替代补偿控制器前后0. Γ、4Hz小角度正弦跟踪的对比 图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0017] 如图1所示，本发明的电动舵机系统包括舵机伺服系统控制器、PffM功率模块、无 刷直流电机、减速器、速度传感器和位置传感器；舵机伺服系统控制器接收舵机偏转指令， 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功率模块，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。
[0018] 如图1和图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 环控制器和补偿控制器三部分；位置环为外环，采用PI控制器，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，采用PI控制器，输入量为速度 指令、速度反馈信号、补偿控制器的补偿值，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；补偿控制器的输入量为当前舵机位置偏转误差、舵机正常工作下的PWM 码值、舵机旋转方向，补偿控制器的输出量为Vm，用于替代速度环控制器上一时刻的输出 PffM(k-Ι)。舵机伺服系统控制器的工作过程，当位置环控制器接收到舵机偏转指令Θ和舵 偏角反馈值Θ '后，输出速度偏转指令v，同时向补偿控制器输出位置跟踪误差e ;补偿控制 器接收舵机位置偏转误差e，同时根据电动舵机的旋转方向及其正常工作下的PffM值，输出 粗略的补偿值▽ m，来替代PffM (k-Ι);速度环控制器根据接收到的速度指令V、速度反馈ν' 和补偿值Vm，计算出新的PffM(k)值。此方法不需要精确的补偿值Vm，经控制器几次迭代 运算后便能快速启动舵机，消除死区的影响，同时也避免因频繁补偿而导致的稳态抖动问 题。
[0019] 如图3所示，其为本发明的舵机伺服系统控制器计算流程。舵机位置换向时，由于 离散控制器的迭代计算和静摩擦等作用，致使舵机速度换向在时间上滞后于舵机换向，同 时在静摩擦作用范围内出现位置"平顶"现象，严重影响跟踪精度。
[0020] 位置环PI离散控制器如下：
[0021] 、工 . .
[0022] 其中，Ivk1S位置环PI控制器参数，可根据系统性能指标求得。Θ (k)为当前位 置指令，θ'（k)为当前位置反馈，ep(k)为当前位置偏转误差，ep(k_l)为上一时刻位置偏转 误差，u p(k)为当前时刻位置PI控制器输出。
[0023] 将舵机偏转指令Θ (k)及舵机位置反馈Θ '（k)输入位置环控制器，经位置环控制 器运算输出速度指令up(k)至速度环控制器。
[0024] 速度环PI离散控制器如下：
[0025]
[0026] 其中，kpv、klv为速度环PI控制器参数，可根据系统性能指标求得。u p(k)为当前 速度指令，ν'（k)为当前速度反馈，ev(k)为当前速度误差，ev(k_l)为上一时刻速度误差， u v(k)为当前时刻位置PI控制器输出，Uv (k-Ι)为上一时刻位置PI控制器输出。
[0027] 速度PI控制器接收速度指令up(k)、速度反馈值ν'（k)、补偿控制器的补偿值，通 过速度PI控制器计算输出PWM，实现脉宽调制。因速度、位置离散控制器迭代项U v (k-Ι)和 Up(k-Ι)的影响，位置换向即ep(k)方向发生变化时，u v(k)符号方向不能及时发生改变，存 在较大的延迟，导致位置发生换向时速度环不能及时换向，同时由于静摩擦影响，使得系统 速度环存在死区，为此加入死区补偿控制器。
[0028] 图4为本发明所设计的换向替代补偿控制器流程图。将电动舵机位置偏转误差e、 控制器输出的PWM值、舵机方向信号输入舵机死区补偿控制器，其输出为▽ m。当舵机位置 偏转误差e > Θ。（ Θ。为一个大于零的极小值，可根据稳态精度的要求进行调整），且舵机位 置发生换向时，▽ m = UvJuv。为舵机正常运转下的正向PffM码值），代替速度PI控制器上一 时刻的输出u v (k-1)，即得出舵机速度环当前输出为uv (k) = uv。+(kpv+kiv) ev (k)-kpvev (k-1); 当舵机位置偏转误差e < - Θ。，且舵机位置发生换向时，▽ m = Uvl (Uvl为舵机正常运转下的 负向PffM码值），代替速度PI控制器上一时刻的输出Uv (k-Ι)，即得出舵机速度环当前输出 为\ (k) = uvl+ (kpv+klv) ev (k) _kpvev (k-Ι);在舵机位置跟踪误差较小及舵机位置未发生换向 情况下，死区换向替代补偿控制器则不起作用。这样，既可以有效补偿舵机死区消除位置跟 踪"平顶"问题，又可以避免因频繁补偿控制参数而引发控制的不连续性。
[0029] 图5为引入舵机死区替换补偿控制器前后，电动舵机做0. Γ、4Hz小角度正弦位 置跟踪对比图。可以看出，引入替换补偿控制器之前，由于控制器迭代的延迟、静摩擦等因 素影响，做小角度正弦跟踪时，存在50ms的速度死区，位置出现较严重"平顶"现象，平顶时 间约为62ms，跟踪误差为0. 12° ;引入替换补偿控制器之后，速度死区为8ms，位置平顶时 间为18ms，跟踪误差为0.05°，跟踪精度及响应速度得到较大的提高。本发明的电动舵机 死区换向替代补偿方法，在克服舵机死区影响的同时不影响其他指标，并且不需要精确的 补偿量、算法简单易于工程实现。
【主权项】
1.电动舵机死区换向替代补偿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：在电动舵 机伺服系统控制器中加入补偿控制器，将电动舵机位置偏转误差e、舵机正常工作下的 PWM值、舵机方向信号输入补偿控制器，其输出为;当舵机位置偏转误差e> 0。（ 0。 为一个大于零的极小值，可根据稳态精度的要求进行调整），且舵机位置发生换向时， = (uv。为舵机正常运转下的正向PWM码值），代替电动舵机伺服系统控制器中速 度PI控制器上一时刻的输出uv(k-l)，得出舵机速度环当前输出为uv(k) =uvQ+(kpv+kiv)ev(k)-kpvev(k-l);当舵机位置偏转误差e< - 0。，且舵机位置发生换向时，▽州=uH (~为 舵机正常运转下的负向PWM码值），代替速度PI控制器上一时刻的输出uv (k-1)，得出舵机 速度环当前输出为uv(k) =uvl+(kpv+kiv)ev(k)-kpvev(k-l);在|e|彡| 0。|或者舵机位置未 发生换向时，补偿控制器输出为速度PI控制器上一时刻的输出uv (k-1)。
【专利摘要】电动舵机死区换向替代补偿方法属于电动舵机伺服控制技术领域，该方法是在电动舵机伺服系统控制器中加入补偿控制器，将电动舵机位置偏转误差e、舵机正常工作下的PWM值、舵机方向信号输入补偿控制器，其输出为▽m；当e＞θ0且舵机位置发生换向时，▽m＝uv0，代替速度PI控制器上一时刻的输出uv(k-1)，得出舵机速度环当前输出为uv(k)＝uv0+(kpv+kiv)ev(k)-kpvev(k-1)；当e＜-θ0且舵机位置发生换向时，▽m＝uv1，代替速度PI控制器上一时刻的输出uv(k-1)，得出舵机速度环当前输出为uv(k)＝uv1+(kpv+kiv)ev(k)-kpvev(k-1)。本发明不需要精确的补偿值▽m，经控制器几次迭代运算后便能快速启动舵机，消除死区的影响，同时也避免因频繁补偿而导致的稳态抖动问题。
【IPC分类】G05B13/02
【公开号】CN105093927
【申请号】CN201510449762
【发明人】周满, 张驰, 张明月
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月28日