[發明專利]一種激光打標用數字控制振鏡電機系統的驅動控制方法

有效

• 申請號: 202110096027.5
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112910365B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 徐金全;張博一;方豪;郭宏
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H02P23/00
• 分類號: H02P23/00;H02P23/12;H02P25/16
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 鄭久興

1.一種激光打標用數字控制振鏡電機系統的驅動控制方法，該驅動控制方法在所述振鏡電機系統的驅動控制器中實現，所述驅動控制器以FPGA處理器為核心，采用H橋逆變器的拓撲結構實現對振鏡電機的驅動；所述驅動控制器包括數字控制電路、功率驅動電路、信號采樣轉換電路、供電電路和通信電路；

所述數字控制電路以FPGA處理器為核心，由FPGA芯片及其外圍電路組成，完成系統各信號的接收與控制算法的實現，并輸出指令信號控制驅動電路，控制振鏡電機動作；

所述功率驅動電路包括驅動芯片電路和由MOSFET器件組成的H橋逆變器電路，驅動芯片電路接收數字控制電路輸出的PWM控制信號，經隔離和功率放大后輸出給H橋逆變器電路，控制H橋逆變器電路中MOSFET器件的開通和關斷；H橋逆變器電路連接電機的繞組，實現對電機的供電控制；

所述信號采樣轉換電路包含電流檢測電路和位置信號測量電路，它們分別由相應的電流或位置傳感器和AD轉換芯片電路組成，負責采集電機電流和轉子位置信息，并進行模擬到數字的轉換，以便數字控制電路完成計算；

所述供電電路包括直流主電源、各個隔離電源芯片及其外圍電路，為各數字芯片和H橋驅動電路供電；

所述通信電路包括上位機板卡與FPGA處理器之間的通信模塊電路，實現上位機與數字控制電路的通信，上位機將解算好的電機目標位置信息傳輸到FPGA處理器；

上位機板卡給出目標位置指令，通過通訊電路傳輸給FPGA處理器，同時電機的電流、位置的信息通過信號采樣轉換電路傳給FPGA處理器，FPGA處理器通過對目標位置指令信號、電流信號、位置信號進行解算，得到電機的PWM控制信號，PWM控制信號通過功率驅動電路控制振鏡電機繞組的通電，從而實現對振鏡電機的高性能驅動；

其特征在于：所述驅動控制方法采用“位置環+電流環”的控制策略；

電流環為振鏡電機系統的內環，由電流環控制器、PWM功率變換器和電流反饋回路組成；電流環控制器采用PI控制器，通過調制給定電流信號和電流反饋回路傳遞的反饋電流信號的誤差，得到給定電壓信號，PWM功率變換器則將給定電壓信號轉化為PWM控制信號，進而控制電機逆變器的供電，實現對振鏡電機的驅動控制；

位置環為振鏡電機系統的外環，該位置環包含如下三部分：二階線性跟蹤微分器、擴張狀態觀測器和非線性PID控制器；其中，所述位置環控制采用自抗擾技術，位置環控制的具體控制流程為：

步驟一：根據實際位置指令，利用二階線性跟蹤微分器安排過渡過程，得到給定的位置信號及其微分；

為系統安排過渡過程，根據實際系統的情況，設定合適的跟蹤曲線作為實際輸入指令，從而降低系統控制率中的初始誤差，使得系統穩定快速的跟隨指令，緩解了超調與快速性的矛盾；位置指令信號中一般不含噪聲信號，采用二階線性跟蹤微分器來實現其過渡過程，表達式如下：

其中v為位置指令，v₁、v₂分別為位置指令和位置指令微分的跟蹤信號，r₁為二階線性跟蹤微分器的參數，用于觀測微分信號的運算；二階線性跟蹤微分器的離散化表達式為：

式(2)中，v(k)為實際振鏡電機角度指令，v₁(k+1)為給定振鏡電機角度指令信號，v₂(k+1)為給定振鏡電機角度指令信號的微分，c₁為計算步長，k為采樣時刻；

步驟二：根據位置反饋信號，利用擴張狀態觀測器，得到補償了擾動的位置反饋信號及其微分的觀測值；

振鏡電機系統模型的狀態方程可表示為：

式(3)中，K_T、J_m、B_m、T_d分別為電機的轉矩常數、轉動慣量、阻尼系數和負載轉矩，i_a為繞組電流，x₁、x₂分別為振鏡電機的轉子實際位置和角速度，y為振鏡電機模型的輸出變量，表征振鏡電機的轉子實際位置；定義系統的綜合擾動為：

記取振鏡電機的最終控制量為

則式(3)所示的振鏡電機系統模型的狀態方程可寫作：

對振鏡電機系統，可用三階線性擴張狀態觀測器，由角度信號估計出角速度和角加速度信號，并將擾動移速疊加到角加速度信號中加以補償，構造三階線性擴張狀態觀測器如下：

其中，z₁、z₂為系統位置反饋及位置反饋微分的觀測值，z₃為系統擾動的觀測值，e為位置觀測值與實際值之間的誤差，β₁、β₂、β₃為擴張狀態觀測器的增益系數，c為采樣步長；擴張狀態觀測器輸出的z₁、z₂信號作為系統的反饋及其微分信號，用于反饋控制器的解算；

步驟三：根據給定的位置信號及其微分和觀測的位置信號及其微分，利用非線性PID控制器，得到電流給定值；

反饋控制器選用非線性PID控制器，其控制率如下：

其中，v₁、v₂分別為位置指令和位置指令微分的跟蹤信號，z₁、z₂為系統位置反饋及位置反饋微分的觀測值，e₁為非線性PID控制器的誤差信號，e₂為該誤差信號的微分，e₀為該誤差信號的積分，sign()為符號函數，α、β為常數，k_I、k_P、k_D為該非線性PID控制器的可調控制參數，分別對誤差信號的積分、誤差信號、誤差信號的微分相關量進行調控；fal()為非線性函數，其函數輸入變量e表征誤差信號，常數α、β是函數的可調參數，其函數值表征了系統的增益系數；由公式(9)可知，當誤差信號e小于臨界值β時，誤差增益系數為固定值；當誤差信號大于臨界值β時，誤差增益系數隨誤差改變而改變，即誤差信號e越小，fal()的函數值越大，誤差信號e越大，fal()的函數值越小，fal()函數的該特性實現了變增益控制，擬合了“大誤差，小增益；小誤差，大增益”的工程經驗。