一种电动伺服系统及其控制算法
【技术领域】
[0001] 本发明设及伺服控制技术领域，具体设及一种电动伺服系统及其控制算法。
【背景技术】
[0002] 电动伺服系统因控制方法灵活、效率高、运行可靠度高得到了广泛应用，考虑到实 现成本和系统稳定性，电动伺服系统经常采用图1所示的控制方式，即反馈信号直接从驱 动端引出，系统为半闭环结构。在实际应用过程中，伺服机构往往存在负载惯量大、结构刚 度低、低阻巧和存在机械间隙等问题。惯量大和刚度低导致系统结构谐振剧烈且谐振频率 低；机械间隙导致系统响应滞后严重，且可能存在极限环，系统负载容易发生高频振荡。
[0003] 电动伺服系统常用的控制算法，如超前滞后、经典PID等方法一般基于系统的开 环频率特性，通过构造具有特定频率特性的环节来补偿原有系统的频率特性，控制参数一 旦写进控制电路就不再改变。对于特性较复杂，性能指标较高的电动伺服系统，使用上述常 规方法难W得到满意性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种电动伺服系统及其控制算法，通过设置第一比较器、 位置控制部件、第二比较器及电流控制部件，对电动伺服系统进行"位置/电流双闭环+特 定区段积分+陷波滤波器"算法，并提供陷波滤波器的精确调试公式，经试验验证本发明能 够有效抑制系统的谐振峰、消除了因间隙造成的极限环，因此本发明具有很高的工程应用 价值。
[0005] 为了达到上述目的，本发明通过W下技术方案实现：
[0006] 一种电动伺服系统，电动伺服机构为该电动伺服系统的执行部件，该电动伺服机 构的输出端与外部负载连接，其特点是，该电动伺服系统包含：
[0007] 第一比较器，所述第一比较器的第一输入端获取输入摆角指令；
[000引位置控制部件，与所述第一比较器连接；
[0009] 第二比较器，所述第二比较器的第一输入端与所述位置控制部件的输出端连接；
[0010] 电流控制部件，所述电流控制部件的输入端与所述第二比较器的输出端连接，该 电流控制部件的输出端与所述电动伺服机构连接。
[0011] 优选地，所述位置控制部件包含：
[0012] 位置比例/积分计算单元，所述位置比例/积分计算单元的输入端与所述第一比 较器的输出端连接；
[0013] 陷波滤波器，所述陷波滤波器的输入端与位置比例/积分计算单元的输出端连 接，该陷波滤波器的输出端与所述第二比较器的第一输入端连接；
[0014] 位置反馈处理单元，所述位置反馈处理单元的输入端与所述电动伺服机构的输出 端连接，该位置反馈处理单元的输出端与所述第一比较器的第二输入端连接。
[0015] 优选地，所述电流控制部件包含：
[0016] 电流比例计算单元，所述电流比例计算单元的输入端与所述第二比较器的输出端 连接，该电流比例计算单元的输出端与所述电动伺服机构的输入端连接；
[0017] 电流反馈处理单元，所述电流反馈处理单元的输入端与所述电动伺服机构的输出 端连接，该电流反馈处理单元的输出端与所述第二比较器的第二输入端连接。
[001引一种电动伺服系统的控制算法，其特点是，该控制算法包含如下步骤：
[0019] S1，第一比较器获取并处理电动伺服系统的输入摆角指令、位置反馈信号，位置控 制部件对该电动伺服系统进行位置闭环控制计算；
[0020] S2,第二比较器、电流控制部件根据位置环控制输出信号、电动伺服机构电流信号 进行电流闭环控制计算，并将计算结果发送至负载。
[0021] 优选地，所述步骤S1包含：
[0022] S1. 1，初始化电动伺服系统，外部第一计时器启动计时，第一比较器完成位置信息 义样；
[0023] S1. 2,采用第一比较器计算输入摆角指令与位置反馈角度信号的误差，判断是否 需要进行积分计算；当需要时，对上述误差结果进行比例、积分计算；当不需要时，对上述 误差结果进行比例计算；
[0024] S1. 3,将所述步骤S1. 2的计算结果发送至陷波滤波器进行陷波滤计算获取位置 环控制输出信号。
[0025] 优选地，所述步骤S1. 1中，位置反馈处理单元获取电动伺服机构输出的位置反馈 信号，并将该位置反馈信号进行处理，将处理后的位置反馈信号发送至所述第一比较器的 第二输入端；
[0026] 所述第一比较器判断输入摆角指令是否完整输入到该第一比较器、经所述位置反 馈处理单元处理的反馈信号是否完整发送至所述第一比较器的第二输入端；
[0027] 当该第一比较器判断确认输入摆角指令完整输入到该第一比较器、经所述位置反 馈处理单元处理的反馈信号完整发送至所述第一比较器的第二输入端，该第一比较器进行 所述步骤S1. 2 ;否则所述第一比较器（1)继续进行数据采样。
[002引优选地，所述步骤S1. 2包含：
[0029] S1. 2. 1，所述第一比较器将输入摆角指令与位置反馈角度信号的位置误差计算结 果6p(k)发送至位置比例/积分计算单元，当前位置误差6p(k)据如下公式计算：
[0030] Gp(k) = 0i(k)-KpfXUf化） （1)
[0031] 其中，0i(k)为当前时刻位置输入摆角指令；Kpf为位置反馈系数；Uf(k)为当前时 刻位置反馈电压值。
[0032] S1. 2. 2,所述位置比例/积分计算单元判断上述位置误差计算结果ep是否在积分 区间内；
[0033] 当在积分区间内时，该位置比例/积分计算单元对上述计算结果进行根据如下公 式进行比例、积分计算：
[0034] U口化）=KpX6p化)+町XX6p化） （2)
[00对其中，Kp为位置环比例系数；K巧位置环积分系数；6p(k)为位置误差值；Sep似 为位置误差的累加值；并将计算结果发送至所述陷波滤波器；
[0036] 当上述计算结果不属于积分区间时，该位置比例/积分计算单元根据如下公式进 行比例计算：
[0037] U口化）=KpXe。化）（3)
[003引其中，Up,似为当前时刻经比例运算后的输出值追接将所述步骤S1. 2. 1获取的 比例计算结果发送至所述陷波滤波器。
[0039] 优选地，所述步骤S1. 3中；所述陷波滤波器获取所述位置比例/积分计算单元发 送的计算结果，并根据下式进行计算：
[0040] Upc似=Ki?U口似 +馬?U口化-1) +K3?U口化-2) (4)
[00川 +K4 ?Upc(k-1)+Ks?Upc化-2)
[00创其中，Up,化)、Up,化-1)、Up,(k-。分别是当前时亥IJ、前一时亥IJ、前二时刻的经比例/ 积分运算后的输出值；ep化-1)是前一时刻的位置误差值；Up。化)、Up。化-l)、Up。化-2)分别是 当前时刻、前一时刻、前二时刻的位置环控制输出值；
[0043] 将该陷波滤波器（22)的计算结果发送至所述第二比较器（3)，W参与电
[0044] 流控制部件的电流误差计算，执行所述步骤S2 ;
[0045] 同时外部第一计数器判断是否达到位置环控制周期，当到达位置环控制周期后， 重新执行所述步骤S1. 1~S1. 3。优选地，所述步骤S2包含：
[0046] S2. 1，外部第二计数器启动计时，完成电流信息采样；
[0047] S2. 2,采用第二比较器计算位置控制信号与采样获取的电流反馈信号的误差结果 e;似，电流误差e;似据如下公式计算：
[0048] e;化）=Upc化）-K" X Im化）（5)
[0049] 其中，Up。似为当前时刻电流环控制输入值；K"为电流反馈系数；Im(k)为当前时 刻电动伺服机构巧）电流值；
[0化0] S2. 3,将所述第二比较器的计算误差结果6i(k)发送至电流比例计算单元进行如 下式的比例计算：
[0051 ] Uic化）=Kpi ? (Upc化)-K" X Im化)）化）
[005引其中，恥似为当前时刻电流环控制输出值；Kpi为电流环比例系数；UpE(k)为当前 时刻电流环控制输入值；K"为电流反馈系数；Im(k)为当前时刻电动伺服机构电流值； [0化3] 并将计算结果发送至电动伺服机构，W实现对电动伺服机构进行控制；同时外部 第二计数器判断是否到达电流环控制周期，当到达时，重新执行所述步骤S2. 1~S2. 3。 [0化4] 优选地，所述步骤S2. 1中，所述电流反馈处理单元获取电动伺服机构输出的反馈 信号，并将该反馈信号进行处理，将处理后的反馈信