基于光電編碼器的角加速度觀測器設(shè)計

李鵬飛++汪光森++張向明++歐陽斌++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實現(xiàn)加速度反饋控制，在旋轉(zhuǎn)運動形式的伺服系統(tǒng)中，通過基于電機模型的觀測器算法估計出角速度或角加速度，其性能遠遠不及采用角加速度傳感器直接測量的方法，而角加速度傳感器又存在價格昂貴和技術(shù)指標適用范圍窄的問題。論文提出了一種角加速度觀測方案，利用光電編碼器輸出的角位移信號及觀測對象的模型信息，估計出伺服系統(tǒng)角加速度，并通過RT-LAB實驗平臺進行硬件在回路仿真實驗，能夠?qū)崿F(xiàn)對角位移、角速度和劇烈變化的角加速度的觀測，效果良好，驗證了算法的魯棒性和精確性。論文提出的角加速度觀測方案還可以應(yīng)用于非電機驅(qū)動的伺服系統(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；角加速度觀測器；硬件在回路；加速度反饋控制

中圖分類號：TH113.2 文獻標識碼：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[1]，文獻[2]中，劉棟良等針對永磁同步電機，利用其定子交軸電流和轉(zhuǎn)速方程構(gòu)造觀測器，通過降維線性Luenberger算法實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)子角速度的估算。文獻[3]中，郭鴻浩等人針對永磁無刷直流電機提出了角加速觀測方法，首先通過構(gòu)建滑模觀測器觀測反電動勢波形，再設(shè)計卡爾曼濾波器從觀測得到的反電動勢歸一化波形中提取位置信息，進而實現(xiàn)對角加速度的估計，但是擴展反電動勢的表達式較為復(fù)雜，其大小與轉(zhuǎn)速、電機電流及微分值有關(guān)，魯棒性較差。且對于非電機驅(qū)動的軸系，這種依賴電機模型的估計方法也無能為力。工程實踐中，大多數(shù)情況下伺服系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動為非勻速運動，傳統(tǒng)的角速度觀測算法僅限于處于穩(wěn)態(tài)的恒定角速度觀測，對于動態(tài)加減速過程的角速度或均勻變化的角加速度的觀測存在較大誤差，并且機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)的攝動等不確定因素，嚴重影響觀測算法的性能。因此，對于旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速觀測，基于編碼器的方法更為可靠，中國科學(xué)院自動化研究所的秦曉飛等對傳統(tǒng)的M/T測速算法進行了改進[4]，提出一種基于假脈沖剔除的M/T測速算法，能夠消除機械振動引起的位置量化誤差，提高了交流伺服系統(tǒng)的測速性能；北京交通大學(xué)的文曉艷等詳細討論了M法和T法在工程實踐中的應(yīng)用并對其性能做了詳細分析[5]，指出工程應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題。然而這兩種方法并不適用于對角加速的觀測，目前基于旋轉(zhuǎn)加速度計的方法測量角加速度存在傳感器價格昂貴或技術(shù)指標適用范圍窄等原因[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程；基于電機模型的觀測器算法估計角速度或角加速度也是一種常用方法[7-10]，大量實驗表明，基于模型觀測器估計算法的加速度反饋控制系統(tǒng)，其控制性能遠遠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]等人分別對此作出了詳細研究。因此基于位置傳感器和觀測算法來有效獲取角速度和角加速度信息是一種折中的選擇。論文采用高階觀測器算法，能夠觀測劇烈變化的轉(zhuǎn)速，性能優(yōu)于常規(guī)觀測算法，且能夠?qū)崿F(xiàn)非劇烈變化的角加速度觀測，為加速度反饋魯棒控制提供一種有效方法，最后通過實驗對比驗證了論文提出的加速度觀測算法的跟蹤性能和算法的可實現(xiàn)性。

2 光電編碼器工作原理

光電編碼器是由光源、光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤是在固定直徑的圓盤上等分地開通若干個長方形孔，通過聯(lián)軸器的帶動，當光電編碼盤和軸一起旋轉(zhuǎn)時，光源發(fā)光通過透鏡照射到光敏電阻上，經(jīng)過檢測裝置檢測輸出脈沖信號。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)字量兩種形式，論文以數(shù)字編碼器為例進行研究。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，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)一周輸出一個脈沖，用于基準點定位，輸出波形如圖2所示。

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

增量式編碼器測量轉(zhuǎn)角的方法是通過讀取脈沖數(shù)的方式計算出旋轉(zhuǎn)的角度或轉(zhuǎn)速等參數(shù)。而不同規(guī)格型號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，即影響測量的精度。采用正交編碼方式可以方便實現(xiàn)倍頻電路設(shè)計，提高編碼器測量精度。

3 三階觀測器設(shè)計

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角加速度進行觀測的需求，論文提出一種基于增量式光電編碼器和觀測算法相結(jié)合的方法，用于觀測角加速度變化規(guī)律，并通過半實物仿真平臺進行驗證，觀測效果良好，克服了采用旋轉(zhuǎn)加速度計價格昂貴和適用范圍小的問題，克服了基于電機模型純算法估計的不準確問題，克服了針對非電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)無法使用估計算法的問題。計算量小，可以應(yīng)用于實時系統(tǒng)，跟蹤性能好，可以實現(xiàn)角位移，角速度和劇烈變化的角加速度的觀測，滿足伺服系統(tǒng)的控制需求。

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