[发明专利]基于匹配扰动补偿的音圈驱动器力输出式位移控制方法

说明书

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。

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；