阅读说明：本技术 基于匹配扰动补偿的音圈驱动器力输出式位移控制方法 (Voice coil driver force output type displacement control method based on matching disturbance compensation ) 是由 王若同 舒明雷 王英龙 陈超 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：一种基于匹配扰动补偿的音圈驱动器力输出式位移控制方法,可实现对时变非线性负载和系统模型不确定性动态进行实时在线估计与主动补偿,更适用于拖动宽动态范围复杂时变非线性负载的音圈型驱动器的位移控制。通过在线估计和主动补偿的方法,可抵消包含时变非线性负载与系统模型不确定性动态在内的等效匹配注入扰动,从而通过反馈的方法将补偿后的系统改造为典型的二阶系统,具备更理想的动态特性。在抵消等效注入扰动的基础上引入有限时间收敛律。可减少输出位移与参考位移的相位差,同时有效降低切换控制量,避免抖震效应对系统控制品质的劣化。(A voice coil driver force output type displacement control method based on matching disturbance compensation can achieve real-time online estimation and active compensation of time-varying nonlinear load and system model uncertainty dynamic, and is more suitable for displacement control of a voice coil type driver dragging complex time-varying nonlinear load in a wide dynamic range. Through the method of online estimation and active compensation, the equivalent matching injection disturbance including the time-varying nonlinear load and the uncertainty dynamic of the system model can be counteracted, so that the compensated system is transformed into a typical second-order system through a feedback method, and the system has more ideal dynamic characteristics. And introducing a finite time convergence law on the basis of counteracting the equivalent injection disturbance. The phase difference between the output displacement and the reference displacement can be reduced, the switching control quantity is effectively reduced, and the degradation of the control quality of the system due to the shaking effect is avoided.)

基于匹配扰动补偿的音圈驱动器力输出式位移控制方法

技术领域

本发明涉及音圈驱动器技术领域，具体涉及一种基于匹配扰动补偿的音圈驱动器力输出式位移控制方法。

背景技术

音圈型驱动器由于可取消传动装置，且无需换相机构，可实现理论上无限小的定位分辨率。应用音圈型驱动器的快速响应特性，设备可拖动负载实现较大动态范围内的高频运动，被广泛应用在机械硬盘，镜头对焦，机械臂末端执行器，疲劳测试装置等场景。然而，在实际运行中，伴随音圈型驱动器的动子与定子间磨损过程的加剧，摩擦系数会出现明显的变化过程；其拖动的负载本身也因工况的不同而在较大范围内出现变化。在设备层面表现为驱动器运行阻力相对于位置与速度的强非线性与时变特性。此外，在往复运动的过程中的每个最小运动周期内，存在两处位移速度为零的时刻。当动子运动到这些时刻对应的位置时，运行阻力会发生由动摩擦力到静摩擦力再到动摩擦力的特性变化，使得运行阻力曲线呈现周期性冲击的特点。上述现象的存在使得工业控制中所采用的常规方法难以确保整个设备运行周期中的定位精度。近些年，围绕音圈型驱动器的定位问题主要提出三类方法：第一类运用鲁棒控制方法，针对系统不确定性的上下界设计控制器。可确保闭环系统的稳定性，但在一定程度上牺牲了定位精度。第二类运用非线性控制方法，针对已知系统非线性动态与不确定性上下界设计控制器，但针对复杂摩擦性负载不能充分发挥其优势。第三类运用离线扰动补偿方法，对工况相对固定的音圈型定位平台以及自动对焦模块等应用场景有较好的效果，但不能适应工况变化范围大的疲劳测试装置与机械臂末端执行器等拖动时变负载的应用场景。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种对包含时变非线性负载与系统模型不确定性动态在内的等效匹配注入扰动的在线估计，通过系统输入端对扰动进行主动抵消，进而提升系统的控制精度的方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于匹配扰动补偿的音圈驱动器力输出式位移控制方法，包括如下步骤：

a)通过公式建立包含具有作用力量纲的等效匹配注入扰动力的音圈型驱动器的数学模型，其中为音圈驱动器中运动部件的加速度，M为音圈驱动器中运动部件的总质量，F_a为作用在音圈上的电磁力，F_d为具有作用力量纲的等效匹配注入扰动力，C为音圈驱动器的机械阻尼系数，为音圈驱动器中运动部件的速度，k为音圈驱动器内部板簧的弹性系数，x为音圈相对于平衡位置的位移量，F_f为作用在音圈上的运行阻力；

b)通过公式计算得到对扰动力F_d的估计值式中D为常数矩阵。D＝[0 1]，L为扰动观测器参数向量，向量元素L₁和L₂均为可调参数，为的微分，

c)通过公式计算得到等价控制力F^eq，式中k₁和k₂为构造的线性输出函数的比例参数，f为简谐运动频率，t为时间；

d)通过公式计算得到有限时间收敛力F^con，式中K_λ为可调参数，K_λ＞0；

e)根据公式计算得到期望的控制力F^des；

f)通过公式计算得到使音圈驱动器工作的音圈电流i^des，K_s为电机常数；

g)将音圈型驱动器建立基于PI控制的电流闭环控制，通过音圈电流i^des驱动音圈驱动器动作。

进一步的，步骤a)中音圈驱动器中运动部件包括音圈驱动器的连杆以及音圈驱动器的音圈。

本发明的有益效果是：不同于已有控制方法对时变非线性负载不做显性处理或采用固定参数模型进行主动补偿，本发明可实现对时变非线性负载和系统模型不确定性动态进行实时在线估计与主动补偿，更适用于拖动宽动态范围复杂时变非线性负载的音圈型驱动器的位移控制。通过在线估计和主动补偿的方法，可抵消包含时变非线性负载与系统模型不确定性动态在内的等效匹配注入扰动，从而通过反馈的方法将补偿后的系统改造为典型的二阶系统，具备更理想的动态特性。在抵消等效注入扰动的基础上引入有限时间收敛律。可减少输出位移与参考位移的相位差，同时有效降低切换控制量，避免抖震效应对系统控制品质的劣化。本发明不同于常规基于模型的控制方法，无需对控制对象做大量测试工作以用于建模。唯一需要获取的运动部件总质量这一参数通常可采用称重的方式来测得，对实际方法实施提供了极大的便利。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构图；

图2为本发明的方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。

如附图2所示，一种基于匹配扰动补偿的音圈驱动器力输出式位移控制方法，包括如下步骤：

a)通过公式建立包含具有作用力量纲的等效匹配注入扰动力的音圈型驱动器的数学模型，其中为音圈驱动器中运动部件的加速度，M为音圈驱动器中运动部件的总质量，F_a为作用在音圈上的电磁力，F_d为具有作用力量纲的等效匹配注入扰动力，C为音圈驱动器的机械阻尼系数，为音圈驱动器中运动部件的速度，k为音圈驱动器内部板簧的弹性系数，x为音圈相对于平衡位置的位移量，F_f为作用在音圈上的运行阻力；

b)通过公式计算得到对扰动力F_d的估计值式中D为常数矩阵。D＝[0 1]，L为扰动观测器参数向量，向量元素L₁和L₂均为可调参数，为的微分，

c)通过公式计算得到等价控制力F^eq，式中k₁和k₂为构造的线性输出函数的比例参数，f为简谐运动频率，t为时间；

d)通过公式计算得到有限时间收敛力F^con，式中K_λ为可调参数，K_λ＞0；

e)根据公式计算得到期望的控制力F^des；

f)通过公式计算得到使音圈驱动器工作的音圈电流i^des，K_s为电机常数；

g)将音圈型驱动器建立基于PI控制的电流闭环控制，通过音圈电流i^des驱动音圈驱动器动作。

如附图1所示，本发明的硬件部分主要包括位移传感器，嵌入式控制器，直流稳压电源，电流调节器。位移传感器采用直线正交编码器或LVDT获取。嵌入式控制器可选用数字信号处理器或ARM微控制器芯片。电流调节器电路拓扑为两相全桥IGBT或PowerMOSFET。直流稳压电源使用线性模拟电源或开关电源。嵌入式控制器到电流调节器电路的信号为脉宽调制信号。

不同于已有控制方法对时变非线性负载不做显性处理或采用固定参数模型进行主动补偿，本发明可实现对时变非线性负载和系统模型不确定性动态进行实时在线估计与主动补偿，更适用于拖动宽动态范围复杂时变非线性负载的音圈型驱动器的位移控制。通过在线估计和主动补偿的方法，可抵消包含时变非线性负载与系统模型不确定性动态在内的等效匹配注入扰动，从而通过反馈的方法将补偿后的系统改造为典型的二阶系统，具备更理想的动态特性。在抵消等效注入扰动的基础上引入有限时间收敛律。可减少输出位移与参考位移的相位差，同时有效降低切换控制量，避免抖震效应对系统控制品质的劣化。本发明不同于常规基于模型的控制方法，无需对控制对象做大量测试工作以用于建模。唯一需要获取的运动部件总质量这一参数通常可采用称重的方式来测得，对实际方法实施提供了极大的便利。

进一步的，步骤a)中音圈驱动器中运动部件包括音圈驱动器的连杆以及音圈驱动器的音圈。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。