[发明专利]基于等价谐振嵌入的音圈式执行器周期负载波动抑制方法

说明书

一种基于等价谐振嵌入的音圈式执行器周期负载波动抑制方法，通过嵌入往复运动的等价谐振项，可实现对周期性扰动的灵敏追踪与精确补偿。无需额外获得负载参数，且采用在线估计的方法，更适合于快刀伺服、疲劳测试与机械臂末端执行器等负载工况变化较大的应用场景。

技术领域

本发明涉及音圈式执行器技术领域，具体涉及一种基于等价谐振嵌入的音圈式执行器周期负载波动抑制方法。

背景技术

音圈式执行器由于可直接拖动负载实现直线轨迹或弧形轨迹的往复定位运动，无需典型机电系统中的齿轮箱、凸轮连杆等传动装置，可显著减少因机械间隙带来的动件运动轨迹死区与滞回效应，从而提高设备运动定位精度。另一方面，音圈式执行器作为直接动力源，取消传动环节，可有效减小动件惯量，降低动件机械时间常数，提高设备的响应速度。音圈式执行器因其高定位精度与高响应速度的优点，被广泛应用在机械硬盘读取定位，镜头对焦，快刀伺服驱动，机械臂末端执行器，疲劳测试设备等需要兼顾定位响应速度与定位精度的应用场景。然而，音圈式执行器直接驱动负载的运行方式在带来上述优点的同时也带来了控制系统设计上的挑战。具体表现在：取消传动环节的直驱方式使得负载波动可直接作用在音圈上，由于音圈惯量较小，负载波动对定位精度的影响效果会较为显著。另外，在实际运行中，音圈式执行器多用于实现往复运动型轨迹跟随，其位置环带宽设计要求远高于一般运动伺服的带宽要求。在往复型运动过程中的单周期内，音圈式执行器拖动负载的运动速度曲线会出现至少两次过零点，在这一过程中，存在以摩擦力为代表的非线性负载分量出现曲线冲击性变化的现象，这会进一步增加音圈式执行器控制器设计所面临的挑战。在已知公开文献中，研究者们围绕音圈式执行器的位置伺服问题主要提出以下方法：1)从系统建模不确定性出发，通过试验或理论分析的方式厘清机电系统整体的系统动态不确定性的上下界，设计鲁棒控制器，实现闭环伺服系统在工作频段的镇定。这类方法虽然可确保闭环系统的稳定性，但在一定程度上牺牲了系统的定位精度。2)从系统已知的结构化非线性动态入手，通过对已知非线性动态进行逆模型补偿来提升闭环系统定位精度。这类方法针对系统本体的结构化非线性动态有较好的抑制作用但针对具有时变特性的摩擦性负载不能提供抑制作用。3)从广义扰动描述与补偿出发，对系统线性标称动态之外的部分定义为扰动并进行离线补偿。这类方法对负载动力学特性相对稳定的机械硬盘读取定位与镜头对焦等应用场景能取得较好的效果，但不能应对机械臂末端执行器与疲劳测试设备等场景。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种克服在音圈式执行器定位控制应用中存在的不足，考虑到音圈式执行器多用于往复型运动轨迹定位，且外在干扰多以周期性的特点呈现，提出一种基于等价谐振嵌入的音圈式执行器控制方法以解决周期性负载波动带来的音圈式执行器定位问题的方法。。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于等价谐振嵌入的音圈式执行器周期负载波动抑制方法，包括如下步骤：

a)建立音圈式执行器的标称传递函数模型G_n(s)；

b)建立用以描述周期性负载扰动的等价谐振项的s域的第k阶的表示R_k(s)；

c)将等价谐振项的s域表示R_k(s)根据谐振阶数合并为集总等价谐振项的s域表示R_h(s)；

d)建立巴特沃兹低通滤波器的s域表示Q_but(s)；

e)建立周期扰动估计滤波器的s域表示Q_br(s)；

f)建立控制器的s域表示U(s)；

g)将控制器的s域表示U(s)转换为z域表示U(z)

h)将离散化后的控制器U(z)部署在音圈式执行器的数字式控制器中。