一種諧波傳動(dòng)的高精度位置控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種諧波傳動(dòng)的高精度位置控制系統(tǒng)及方法，針對諧波傳動(dòng)柔性帶來的非線性死區(qū)特性，本發(fā)明采用了電流環(huán)套雙速度環(huán)，再套位置環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，抑制了系統(tǒng)跟蹤控制中的死區(qū)特性，提高了跟蹤控制的精度。該控制方法主要利用了輸出反饋多閉環(huán)的優(yōu)勢，采用電流環(huán)增加了輸出力矩的平穩(wěn)性，利用旋轉(zhuǎn)編碼器測出的位置解耦出電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速構(gòu)成電機(jī)端的速度閉環(huán)，提前隔離了諧波減速器的柔性和摩擦等非線性特性，增強(qiáng)了電機(jī)抗干擾的能力。再結(jié)合負(fù)載端由測速機(jī)和光電編碼器構(gòu)成的外速度環(huán)和位置環(huán)對負(fù)載進(jìn)行精確控制。與現(xiàn)有諧波傳動(dòng)的高精度控制技術(shù)相比，具有精度高、控制結(jié)構(gòu)簡單和便于調(diào)試的特性。
【專利說明】一種諧波傳動(dòng)的高精度位置控制系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于諧波傳動(dòng)的高精度伺服控制領(lǐng)域，具體涉及一種光電跟蹤系統(tǒng)中諧波 減速器的高精度控制系統(tǒng)及方法。諧波減速器屬于柔性齒輪傳動(dòng)，故帶有諧波減速器的平 臺不可避免地要受到傳動(dòng)間隙及柔性帶來的非線性影響，這主要表現(xiàn)為一種死區(qū)現(xiàn)象。本 發(fā)明有助于抑制間隙和柔性帶來的死區(qū)非線性的特性，提高伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。 技術(shù)背景
[0002] 諧波傳動(dòng)是二十世紀(jì)八九十年代快速發(fā)展起來的一種傳動(dòng)技術(shù)，其以體積小，重 量輕，傳動(dòng)比大，傳動(dòng)間隙小的優(yōu)勢在各種減速器傳動(dòng)中脫穎而出。它利用剛輪與柔輪之間 齒數(shù)差來傳遞能量，使得減速器在體積和重量較小的情況下還能有較大的傳動(dòng)比，保證了 輸出力矩。它的出現(xiàn)也利于解決在機(jī)載，車載等運(yùn)動(dòng)平臺中選用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)所帶來 的體積和重量方面都過大的問題。然而相比力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，諧波傳動(dòng)也有著它自身的 問題，如微小的傳動(dòng)間隙，柔性傳動(dòng)，摩擦大等問題。因此，自諧波傳動(dòng)問世以來，克服其傳 動(dòng)間隙，柔性及摩擦等方面的缺陷一直也都是研究的重點(diǎn)。近些年來，針對諧波傳動(dòng)的一些 非線性特性，也涌現(xiàn)了許多的控制算法和控制結(jié)構(gòu)。如邱志成等人在文章《基于加速度傳感 器反饋控制的諧波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究》（《中國機(jī)械工程》2000年，第11卷11期，1201-1205 頁）中，為抑制諧波減速器柔性、非線性摩擦等因素給負(fù)載帶來的振動(dòng)，提出了基于加速度 傳感器反饋控制，增加了系統(tǒng)的主動(dòng)阻尼來抑制系統(tǒng)的非線性擾動(dòng)，但該方法需要引入加 速度計(jì)來測量負(fù)載的加速度。北京航空航天大學(xué)的韓邦成等人在文章《諧波減速器的非線 性摩擦建模及補(bǔ)償》（《光學(xué)精密工程》2011年，第19卷5期，1095-1103頁）中提出通過 設(shè)計(jì)角速率估計(jì)器計(jì)算出摩擦力矩，推導(dǎo)并建立諧波減速器的非線性摩擦力模型，將其加 入伺服系統(tǒng)作為前饋補(bǔ)償。王會方等人在文章《諧波驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的改進(jìn)自適應(yīng)魯棒控制》 (《浙江大學(xué)學(xué)報(bào)》2012年，46卷10期，1757-1763頁）中提出利用一種改進(jìn)的自適應(yīng)魯棒 控制算法來抑制諧波減速器對象的不確定性及非線性。夏斌在碩士學(xué)位論文《諧波驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)非線性控制》（西安電子科技大學(xué)2012年碩士學(xué)位論文）中針對諧波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同的工 作情況，提出了非線性比例-微分控制器和基于位置測量的輸出反饋控制。
[0003] 與上述控制方法不同的是本發(fā)明提出一種簡便的控制算法，它主要用于光電跟蹤 控制系統(tǒng)中提高諧波傳動(dòng)的位置跟蹤精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服系統(tǒng)傳動(dòng)間隙，柔性及摩擦帶來的非線性死 區(qū)特性。針對傳統(tǒng)技術(shù)在抑制系統(tǒng)非線性死區(qū)特性方面的不足，提出了一種諧波傳動(dòng)的高 精度位置控制方法，具有精度高、控制結(jié)構(gòu)簡單和便于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：諧波傳動(dòng)的高精度位置控制系統(tǒng)由電流環(huán)，電機(jī)端速 度環(huán)，負(fù)載端速度環(huán)和負(fù)載位置環(huán)組成的多閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)電機(jī)端速度環(huán)，將諧波 減速器的非線性特性隔離在電機(jī)電流環(huán)和速度環(huán)之外，增加了直流無刷伺服電機(jī)的抗擾動(dòng) 能力。在電機(jī)速度環(huán)之外在設(shè)計(jì)負(fù)載速度環(huán)和負(fù)載位置環(huán)，實(shí)現(xiàn)諧波傳動(dòng)的高精度位置控 制，克服諧波傳動(dòng)的非線性死區(qū)特性。
[0006] 諧波傳動(dòng)的高精度位置控制系統(tǒng)，包括：電流環(huán)控制器、電機(jī)端速度環(huán)控制器、負(fù) 載端速度環(huán)控制器、負(fù)載端位置環(huán)控制器；電流環(huán)控制器和電機(jī)端速度環(huán)控制器所需硬件 包括：直流無刷電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；負(fù)載端速度環(huán)控制器所需硬件包括：直流 無刷電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、主控計(jì)算機(jī)和測速機(jī)；負(fù)載端位置環(huán)控制器所需硬件 包括：直流無刷電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、主控計(jì)算機(jī)、測速機(jī)和光電編碼器；其中旋 轉(zhuǎn)編碼器裝在直流無刷電機(jī)的尾部，利用旋轉(zhuǎn)編碼器特性通過檢測出直流無刷電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn) 子的位置，并解耦出相應(yīng)的速度和電流，以便能完成電機(jī)端速度環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì)；為盡 量避免聯(lián)接件之間造成的剛度損失，將電機(jī)的輸出軸直連到諧波減速器的波發(fā)生器上，作 為減速器輸入的高速軸，同時(shí)為了將直流無刷電機(jī)和諧波減速器的機(jī)殼固定在系統(tǒng)的機(jī)架 上，需要兩個(gè)固定的過渡件，即第一過渡件和第二過渡件，通過這兩個(gè)過渡件，直流無刷電 機(jī)和諧波減速被固定在機(jī)架上，諧波減速器輸出的低速軸用一個(gè)隨負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的聯(lián)接件聯(lián)接 到負(fù)載上。
[0007] 控制過程：如圖1、2所示，最外回路中由主控計(jì)算機(jī)發(fā)出位置控制指令與光電編 碼器測到的位置信號一并送到負(fù)載端位置環(huán)控制器進(jìn)行負(fù)載端位置環(huán)校正。位置環(huán)校正后 的信號再與測速機(jī)反饋回來的速度信號送到負(fù)載端速度環(huán)控制器作負(fù)載端速度校正。負(fù)載 端速度環(huán)校正后的信號與旋轉(zhuǎn)編碼器解耦后的速度信號，再送給電機(jī)端速度環(huán)控制器作電 機(jī)端速度校正。校正后的信號再與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部檢測到的電流信號送到電流環(huán)控制器做 電流校正，最終將校正完成的指令信號送給直流無刷電機(jī)，從而經(jīng)過諧波減速器帶動(dòng)負(fù)載 運(yùn)動(dòng)。
[0008] 具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0009] 第一步，設(shè)計(jì)諧波傳動(dòng)系統(tǒng)中電流環(huán)控制器。
[0010] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部有檢測電流的器件能檢測出電機(jī)上三相電流的大小，利用該器件 檢測出的電流作為電流環(huán)驅(qū)動(dòng)的反饋信號，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上給直流無刷電機(jī)輸入的驅(qū)動(dòng)電流 作為參考信號，設(shè)計(jì)的電流環(huán)控制器(^(8)如下：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 諧波傳動(dòng)的高精度位置控制系統(tǒng)，其特征在于包括：電流環(huán)控制器（1000)、電機(jī)端 速度環(huán)控制器（1001)、負(fù)載端速度環(huán)控制器（1002)、負(fù)載端位置環(huán)控制器（1003);電流環(huán) 控制器（1000)和電機(jī)端速度環(huán)控制器（1001)所需硬件包括：直流無刷電機(jī)（100)、旋轉(zhuǎn)編 碼器（101)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（110);負(fù)載端速度環(huán)控制器（1002)所需硬件包括：直流無刷電 機(jī)（100)、旋轉(zhuǎn)編碼器（101)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（110)、主控計(jì)算機(jī)（111)和測速機(jī)（108);負(fù)載端 位置環(huán)控制器（1003)所需硬件包括：直流無刷電機(jī)（100)、旋轉(zhuǎn)編碼器（101)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 (110)、主控計(jì)算機(jī)（111)、測速機(jī)（108)和光電編碼器（109);其中旋轉(zhuǎn)編碼器（101)裝在 直流無刷電機(jī)（100)的尾部，利用旋轉(zhuǎn)編碼器（101)特性通過檢測出直流無刷電機(jī)（100) 內(nèi)部轉(zhuǎn)子的位置，并解耦出相應(yīng)的速度和電流，以便能完成電機(jī)端速度環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì)； 為盡量避免聯(lián)接件之間造成的剛度損失，將電機(jī)的輸出軸直連到諧波減速器（102)的波發(fā) 生器上，作為減速器輸入的高速軸，同時(shí)為了將直流無刷電機(jī)（100)和諧波減速器（101)的 機(jī)殼固定在系統(tǒng)的機(jī)架（103)上，需要兩個(gè)固定的過渡件，即第一過渡件（104)和第二過渡 件（105)，通過這兩個(gè)過渡件，直流無刷電機(jī)（100)和諧波減速（101)被固定在機(jī)架（103) 上，諧波減速器（101)輸出的低速軸用一個(gè)隨負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的聯(lián)接件（106)聯(lián)接到負(fù)載（107) 上。
2. -種安裝諧波傳動(dòng)的高精度位置控制方法，其特征在于步驟如下： 第一步，設(shè)計(jì)諧波傳動(dòng)系統(tǒng)中電流環(huán)控制器（1000); 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（110)內(nèi)部有檢測電流的器件能檢測出電機(jī)上三相電流的大小，利用該器 件檢測出的電流作為電流環(huán)驅(qū)動(dòng)的反饋信號，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（110)上給直流無刷電機(jī)（100) 輸入的驅(qū)動(dòng)電流作為參考信號，設(shè)計(jì)的電流環(huán)控制器(^( 8)如下：
其中Kpi為比例系數(shù)，Κπ為積分系數(shù)，S為拉普拉斯算子； 第二步，利用負(fù)載端的測速機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)載端速度環(huán)控制器（1002); 獲取包含諧波減速器非線性死區(qū)特性速度跟蹤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；負(fù)載端速度環(huán)回路是在電流 環(huán)回路基礎(chǔ)上的一個(gè)閉環(huán)回路，主要利用測速機(jī)（108)實(shí)時(shí)測得的負(fù)載速度信號作為反饋 信號，由主控計(jì)算機(jī)（111)發(fā)出的速度信號作為系統(tǒng)的參考信號，設(shè)計(jì)負(fù)載端速度環(huán)控制 器（1002)C vl(s)如下：
其中Kpl為比例系數(shù)，Κη為積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子；將該控制器輸出信號作為電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器（110)的參考信號，即電流環(huán)控制器（1000)的參考信號，然后再完成所述第一步， 最后實(shí)時(shí)記錄測速機(jī)（108)測得的負(fù)載（107)的速度數(shù)據(jù)； 第三步，利用檢測負(fù)載角位置的光電編碼器設(shè)計(jì)負(fù)載端位置環(huán)控制器（1003); 負(fù)載位置環(huán)回路是在速度環(huán)回路和電流環(huán)回路基礎(chǔ)上的一個(gè)閉環(huán)回路，主要利用高精 度的光電編碼器（109)實(shí)時(shí)測得的負(fù)載位置信號作為反饋信號，由主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng) 信號作為系統(tǒng)的參考信號，設(shè)計(jì)負(fù)載端位置環(huán)控制器（l〇〇3)C P(s)如下：
其中Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，S為拉普拉斯算子，將該控制器輸出信號作為速度 環(huán)的參考信號，然后再完成所述第二步；最后實(shí)時(shí)記錄光電編碼器（109)測得負(fù)載的位置 數(shù)據(jù)； 第四步，在基于第一步和第二步的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電機(jī)端速度環(huán)控制器（1001); 利用直流無刷電機(jī)（100)末端的旋轉(zhuǎn)編碼器（101)實(shí)時(shí)測得的電機(jī)位置信號，微分后 得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度信號，并將其作為電機(jī)端閉環(huán)回路的反饋信號，而由所述第二步中負(fù) 載端速度環(huán)送出的信號作為電機(jī)端速度環(huán)的參考信號，設(shè)計(jì)電機(jī)端速度環(huán)控制器（1001) Cym(S)如下：
其中&"為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，S為拉普拉斯算子；將該控制器輸出信號作為 速度環(huán)的參考信號，然后再完成第二步回路；最后實(shí)時(shí)記錄光電編碼器（109)測得的負(fù)載 位置數(shù)據(jù)； 第五步，設(shè)計(jì)在前四步基礎(chǔ)上的負(fù)載端位置環(huán)控制器（1003); 在所述第四步的基礎(chǔ)上，參照第三步設(shè)計(jì)負(fù)載端位置環(huán)控制器（l〇〇3)CP2(s)如下：
其中Kp2為單速度環(huán)下負(fù)載端位置環(huán)比例系數(shù)，Ki2為單速度環(huán)下負(fù)載端位置環(huán)積分系 數(shù)；將負(fù)載（107)端光電編碼器（109)測得的位置信號作為反饋信號，主控信號發(fā)出的運(yùn)動(dòng) 信號作為參考信號，設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器，輸出信號送到負(fù)載端速度環(huán)控制器（1002)，負(fù)載端速 度環(huán)控制器（1002)的輸出信號送到電機(jī)端速度環(huán)控制器（1001)，最后傳到電流環(huán)控制器 (1000)，至此，整個(gè)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)完畢。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的諧波傳動(dòng)的高精度位置控制方法，其特征在于，所述的第四 步所涉及的雙速度閉環(huán)在于抑制諧波減速器柔性和非線性摩擦帶給諧波傳動(dòng)系統(tǒng)的非線 性死區(qū)特性；所述的第二步、第三步和第四步中所設(shè)計(jì)的控制器可以是PI型控制、PID型控 制、自抗擾控制、模糊控制。
【文檔編號】G05D3/12GK104062983SQ201410299719
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】黃永梅, 蔡華祥, 杜俊峰, 唐濤, 張桐, 付承毓 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所