一種齒隙傳動中電機伺服系統精確定位的方法
2023-10-06 08:55:34 1
專利名稱：一種齒隙傳動中電機伺服系統精確定位的方法
技術領域：
本發明涉及一種帶齒隙傳動的伺服系統中電機精確定位方法，該方法簡單，定位精度高
背景技術：
在機械傳動控制中，齒輪傳動由於其傳動精度高，速度響應快，其應用面廣，在機械傳動控制中佔主導地位。但是齒輪傳動中存在著許多非線性因素，齒隙就是其中不可忽略的一個因素，它既是機械傳遞過程正常進行不可缺少的一種非線性，同時也是影響系統動態性能和穩態精度的重要因素。齒輪嚙合必須滿足一定的齒隙最小間距才能保證不發生滯塞現象，而齒輪在加工 中也存在一定的加工誤差，隨著使用時間的延長，齒輪磨損加大也會造成齒隙加大。齒隙的存在一方面對於存在可逆運轉的傳動裝置造成了回差，引起具有滯環形式的非單值非線性。另一方面，系統也會因極限環振蕩或衝擊而降低性能甚至變得不穩定，並且齒輪剛性的碰撞將會產生嚴重的振蕩和噪音。因此，研究齒隙所帶來的非線性影響以及如何消除齒隙所帶來的影響，對於提高傳動精度具有重大的研究價值。隨著控制要求不斷提高和齒隙非線性研究逐步深入，齒隙模型不斷完善，如齒隙的遲滯模型、死區模型、「振-衝」模型等，這些模型描述齒隙各有優缺點。針對這些模型，不少學者也從控制理論的角度提出了許多控制算法，這些算法多採取補償控制的方法，主要包括逆模型補償、直接補償、切換補償等。這些方法有的需要依賴於一定的齒隙模型，有的控制策略太複雜，使得控制不易實現。此外，工程中還採用一定的工程技術手段達到消除齒隙的目的，常採用的是機械消除和多電機同步聯動消除齒隙的方法。但是機械消除的方法需要設計各種消隙結構和傳動結構，對這些機構的製造精度要求比較高，同時也增加了系統的複雜程度，可靠性也不高。多電機聯動消隙的方法是在主軸啟動過程中，兩組電機提供大小相等，方向相反的力矩，形成一對偏置力矩，使兩組小齒輪分別貼緊主軸齒輪的兩個相反的嚙合面，導致大齒輪不能在齒輪的間隙內擺動。這種方式一定程度上消除了齒隙帶來的影響，但是需要增加一組驅動裝置，系統複雜程度增加，同時帶來驅動子系統之間同步協調等新問題。
發明內容
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明實施例提供一種帶齒隙傳動的伺服系統中電機精確定位方法，以解決現有技術的問題。—種帶齒隙傳動的伺服系統中電機定位方法，所述伺服系統包括電機、第一旋轉變壓器、第二旋轉變壓器、具有齒隙的齒輪傳動系統和控制器，其中所述控制器採用位置環、速度環和電流環三閉環控制，其特徵在於，所述方法包括以下步驟利用所述第一旋轉變壓器測量所述傳動系統輸出端的位置信息，利用所述第二旋轉變壓器測量所述電機的轉子位置，
利用所述電機的轉子位置計算出電機的速度信息作為速度反饋，形成電機的速度環控制，根據所述電機的定位要求的控制精度和所述齒隙設置位置環的期望值，利用所述傳動系統輸出端的位置信息經反饋後通過所述控制器的位置環調節，將所述位置環的輸出值作為速度環的期望值，所述速度環的期望值與電機速度反饋值比較後，經速度環調節，將所述速度環的輸出值作為電流環的期望值，最後經電流環調節，完成三閉環控制。優選地，當所述電機的定位要求的控制精度大於所述傳動系統的齒隙時，將位置期望值輸入速度環，然後通過三閉環控制系統控制電機運轉，讓電機運行到期望位置；當電機要求的控制精度小於所述傳動系統的齒隙時，首先計算位置期望值與所述 第一旋轉變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨後將其與所述控制精度進行比較，當所述誤差在所述控制精度範圍內時，將位置環的輸出值置為零，即速度環的期望值設為零。一種帶有伺服系統的機器人關節，其特徵在於，所述伺服系統包括電機、第一旋轉變壓器、第二旋轉變壓器、具有齒隙的傳動系統和控制器，其中所述控制器採用位置環、速度環和電流環三閉環控制；所述第一旋轉變壓器用於測量所述關節的位置信息，所述第二旋轉變壓器用於測量所述電機的轉子位置，所述電機的轉子位置用於計算電機的速度信息作為速度反饋，形成電機的速度環控制，所述控制器根據所述電機的定位要求的控制精度和所述齒隙設置位置環的期望值，所述關節的位置信息經反饋後通過所述控制器的位置環調節，所述位置環的輸出值作為速度環的期望值，所述速度環的期望值與電機速度反饋值比較後，經速度環調節，將所述速度環的輸出值作為電流環的期望值，最後經電流環調節，完成三閉環控制。優選地，當所述電機的定位要求的控制精度大於所述傳動系統的齒隙時，將位置期望值輸入速度環，然後通過三閉環控制系統控制電機運轉，讓電機運行到期望位置；當電機要求的控制精度小於所述傳動系統的齒隙時，首先計算位置期望值與所述第一旋轉變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨後將其與所述控制精度進行比較，當所述誤差在所述控制精度範圍內時，將位置環的輸出值置為零，即速度環的期望值設為零。本發明採用新的控制方法來提高電機的定位能力和定位精度，有效的解決了傳統齒輪傳動控制方法中的缺陷，這種控制方法對整個伺服系統具有以下有益效果I、本發明方法簡單，無需複雜的機械結構；2、電機定位保持能力好，定位精度高。3、齒輪傳動平穩,位置保持時,無碰撞和噪聲。
圖I是系統整體結構框圖；圖2是齒隙傳動結構示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。如圖I所示，伺服系統由電機、旋轉變壓器I、旋轉變壓器2、關節和控制器組成，控制器採用位置環、速度環和電流環三閉環控制。旋轉變壓器I用於測量關節的位置信息，旋轉變壓器2用於測量電機的位置信息，利用位置信息計算出電機的速度信息作為速度反饋，形成電機的速度環控制。關節的位置信息經反饋後通過控制器的位置環調節，輸出作為速度環的期望值，此值與電機速度反饋值比較後，經速度環調節後，輸出值作為電流環的期望值，最後經電流環調節，輸出控制三相橋，完成三閉環控制。在齒輪傳動系統中，當要使電機定位於某一位置時，傳統的做法是將位置期望值輸入給控制系統，然後通過三閉環控制系統控制電機運轉，讓電機運行到期望位置。在控制器的不斷調節控制下，電機最終會定位於期望位置。但是實驗證明這種方法並不穩定，由於齒輪傳動齒隙α的存在，電機並不能可靠的停留在期望位置。當控制器的強度比較大時，電機在接受到位置期望值後，在控制器的調控下快速向期望位置運轉。但是在慣性作用下， 電機到達期望位置後不會立即停住不動，而是會在一定的誤差範圍內來回的轉動，這就造成了一定的誤差，控制器仍會不斷的調節，使得電機不能平穩的定位於這一位置固定不動，因此，電機運行不平穩，保持能力比較差，而且會帶來較大的噪聲。如圖2所示，由於齒輪傳動機構之間有齒隙，電機定位時的這種不穩定性最終會造成相互嚙合的兩齒輪之間不斷的碰撞，不但造成了很大的噪聲，而且加劇了齒輪之間的摩擦，對於齒輪的壽命、系統的穩定性都造成了嚴重的影響。本發明採用的方法是當電機的控制精度要求較高時，S卩ε < α，首先關節的位置信息由旋轉變壓器I檢測，反饋信號為Qf，輸入期望信號為0〃二者比較得到位置環誤差為EPi = ΘΓ-Θ f，位置環採用的控制器為PI控制器P—out = Kp _P* EPi +Ki-P 吃 EPj⑴式中，Kp_P為位置環的比例係數，Ki_P為位置環的積分係數,EPi為位置環誤差。P_out作為位置環的輸出，同時也是速度環的期望值。速度環的誤差信號由旋轉變壓器2檢測到的電機轉速反饋信號S_FB與位置環的輸出P_out比較得到，即ESi = P_out-S_FB。速度環同樣採用PI控制器S_out = Kp _S*ESi + ^ _P ESj
( 2 )式中，Kp_S為速度環的比例係數，KlS為速度環的積分係數，ESi為速度環誤差。當需要將關節定位於某一位置時，首先將位置期望值給定控制器，之後控制器會控制電機運動到期望位置，同時控制器會不斷的檢測位置誤差EPi,當檢測到-ε ^EPi ^ ε ( ε為定位精度)時，令P_out = 0，即令電機的速度期望值為零，這樣電機的速度為零，關節的位置就可以保持不變，穩定於期望位置。但是如果當檢測到位置誤差達到控制要求時，而將位置誤差EPi置為零，這時由(I)式可知，比例項為零，積分項不為零，即位置環的輸出不為零，那麼電機的轉速就不會為零，電機仍會轉動，達不到預期目的，因此只能採用前者的方法。基於上述設計原理，採用MAXON電機進行實際實驗，實驗條件定位精度是ε =0.002°，齒隙α = 0.005°。實驗中電機運行平穩，定位精確，噪聲小，保持能力好。通過實驗得到表I所示的實驗數據。利用統計學知識，求出其統計精度為土(O. 0018° +0. 0013。+1-0.0002。+...+1—0.0010° )/20= 土O. 0013°。可見，利用此方法對於傳統齒隙傳動中定位不平穩的缺陷具有極大的改善作用，方法簡單有效，定位精度較高。
權利要求
1.一種帶齒隙傳動的伺服系統中電機定位方法，所述伺服系統包括電機、第一旋轉變壓器、第二旋轉變壓器、具有齒隙的齒輪傳動系統和控制器，其中所述控制器採用位置環、速度環和電流環三閉環控制，其特徵在於，所述方法包括以下步驟 利用所述第一旋轉變壓器測量所述傳動系統輸出端的位置信息，利用所述第二旋轉變壓器測量所述電機的轉子位置， 利用所述電機的轉子位置計算出電機的速度信息作為速度反饋，形成電機的速度環控制， 根據所述電機的定位要求的控制精度和所述齒隙設置位置環的期望值，利用所述傳動系統輸出端的位置信息經反饋後通過所述控制器的位置環調節，將所述位置環的輸出值作為速度環的期望值， 所述速度環的期望值與電機速度反饋值比較後，經速度環調節，將所述速度環的輸出值作為電流環的期望值，最後經電流環調節，完成三閉環控制。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，當所述電機的定位要求的控制精度大於所述傳動系統的齒隙時，將位置期望值輸入速度環，然後通過三閉環控制系統控制電機運轉，讓電機運行到期望位置； 當電機要求的控制精度小於所述傳動系統的齒隙時，首先計算位置期望值與所述第一旋轉變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨後將其與所述控制精度進行比較，當所述誤差在所述控制精度範圍內時，將位置環的輸出值置為零，即速度環的期望值設為零。
3.一種帶有伺服系統的機器人關節，其特徵在於，所述伺服系統包括電機、第一旋轉變壓器、第二旋轉變壓器、具有齒隙的傳動系統和控制器，其中所述控制器採用位置環、速度環和電流環三閉環控制； 所述第一旋轉變壓器用於測量所述關節的位置信息，所述第二旋轉變壓器用於測量所述電機的轉子位置， 所述電機的轉子位置用於計算電機的速度信息作為速度反饋，形成電機的速度環控制， 所述控制器根據所述電機的定位要求的控制精度和所述齒隙設置位置環的期望值，所述關節的位置信息經反饋後通過所述控制器的位置環調節，所述位置環的輸出值作為速度環的期望值， 所述速度環的期望值與電機速度反饋值比較後，經速度環調節，將所述速度環的輸出值作為電流環的期望值，最後經電流環調節，完成三閉環控制。
4.根據權利要求3所述的機器人關節，其特徵在於，當所述電機的定位要求的控制精度大於所述傳動系統的齒隙時，將位置期望值輸入速度環，然後通過三閉環控制系統控制電機運轉，讓電機運行到期望位置； 當電機要求的控制精度小於所述傳動系統的齒隙時，首先計算位置期望值與所述第一旋轉變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨後將其與所述控制精度進行比較，當所述誤差在所述控制精度範圍內時，將位置環的輸出值置為零，即速度環的期望值設為零。
全文摘要
本發明公開了一種齒隙傳動中的電機精確定位的方法，所述伺服系統包括電機、第一旋轉變壓器、第二旋轉變壓器、具有齒隙的齒輪傳動系統和控制器，其中所述控制器採用位置環、速度環和電流環三閉環控制。通過採用新的控制方法來提高電機的定位能力和定位精度，有效的解決了傳統齒輪傳動控制方法中的缺陷。
文檔編號H02K7/10GK102820839SQ20111015474
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月10日 優先權日2011年6月10日
發明者蔣志宏, 楊健, 李丹鳳, 李輝, 黃強 申請人:北京理工大學