基于光電編碼器的角加速度觀測器設計

李鵬飛++汪光森++張向明++歐陽斌++張育興

摘 要：現代伺服控制系統中經常需要加速度信息來實現加速度反饋控制，在旋轉運動形式的伺服系統中，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，能夠實現對角位移、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用于非電機驅動的伺服系統中，其適用范圍更廣，成本低，更適合工程應用。

關鍵詞：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

伺服系統多數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速方程構造觀測器，通過降維線性Luenberger算法實現了電機轉子角速度的估算。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，首先通過構建滑模觀測器觀測反電動勢波形，再設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，進而實現對角加速度的估計，但是擴展反電動勢的表達式較為復雜，其大小與轉速、電機電流及微分值有關，魯棒性較差。且對于非電機驅動的軸系，這種依賴電機模型的估計方法也無能為力。工程實踐中，大多數情況下伺服系統旋轉運動為非勻速運動，傳統的角速度觀測算法僅限于處于穩態的恒定角速度觀測，對于動態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由于存在內部和外部的干擾、自身參數的攝動等不確定因素，嚴重影響觀測算法的性能。因此，對于旋轉伺服系統的轉速觀測，基于編碼器的方法更為可靠，中國科學院自動化研究所的秦曉飛等對傳統的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的測速性能；北京交通大學的文曉艷等詳細討論了M法和T法在工程實踐中的應用并對其性能做了詳細分析[5]，指出工程應用中應該注意的問題。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指標適用范圍窄等原因[6]，使得其難以應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，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，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速，性能優于常規觀測算法，且能夠實現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，通過聯軸器的帶動，當光電編碼盤和軸一起旋轉時，光源發光通過透鏡照射到光敏電阻上，經過檢測裝置檢測輸出脈沖信號。結構原理如圖1所示。

光電編碼器的輸出量有模擬量和數字量兩種形式，論文以數字編碼器為例進行研究。數字增量式編碼器直接利用光電轉換原理輸出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方向，圖2中標示出了輸出波形與編碼器旋轉方向的關系，算法的實現是通過判斷編碼器輸出AB兩相的狀態轉移順序，如圖3所示。

增量式編碼器測量轉角的方法是通過讀取脈沖數的方式計算出旋轉的角度或轉速等參數。而不同規格型號的編碼器光柵碼盤上的光柵線數是不同的，光柵線數決定每周輸出的脈沖數量，即影響測量的精度。采用正交編碼方式可以方便實現倍頻電路設計，提高編碼器測量精度。

3 三階觀測器設計

6 結論

為了適應伺服控制系統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合的方法，用于觀測角加速度變化規律，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動的旋轉伺服系統無法使用估計算法的問題。計算量小，可以應用于實時系統，跟蹤性能好，可以實現角位移，角速度和劇烈變化的角加速度的觀測，滿足伺服系統的控制需求。

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