專利名稱：一種齒隙傳動(dòng)中電機(jī)伺服系統(tǒng)精確定位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶齒隙傳動(dòng)的伺服系統(tǒng)中電機(jī)精確定位方法，該方法簡(jiǎn)單，定位精度高
背景技術(shù)：
在機(jī)械傳動(dòng)控制中，齒輪傳動(dòng)由于其傳動(dòng)精度高，速度響應(yīng)快，其應(yīng)用面廣，在機(jī)械傳動(dòng)控制中占主導(dǎo)地位。但是齒輪傳動(dòng)中存在著許多非線性因素，齒隙就是其中不可忽略的一個(gè)因素，它既是機(jī)械傳遞過(guò)程正常進(jìn)行不可缺少的一種非線性，同時(shí)也是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)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(fā)生滯塞現(xiàn)象，而齒輪在加工 中也存在一定的加工誤差，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，齒輪磨損加大也會(huì)造成齒隙加大。齒隙的存在一方面對(duì)于存在可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動(dòng)裝置造成了回差，引起具有滯環(huán)形式的非單值非線性。另一方面，系統(tǒng)也會(huì)因極限環(huán)振蕩或沖擊而降低性能甚至變得不穩(wěn)定，并且齒輪剛性的碰撞將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩和噪音。因此，研究齒隙所帶來(lái)的非線性影響以及如何消除齒隙所帶來(lái)的影響，對(duì)于提高傳動(dòng)精度具有重大的研究?jī)r(jià)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(qū)模型、“振-沖”模型等，這些模型描述齒隙各有優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)這些模型，不少學(xué)者也從控制理論的角度提出了許多控制算法，這些算法多采取補(bǔ)償控制的方法，主要包括逆模型補(bǔ)償、直接補(bǔ)償、切換補(bǔ)償?shù)?。這些方法有的需要依賴于一定的齒隙模型，有的控制策略太復(fù)雜，使得控制不易實(shí)現(xiàn)。此外，工程中還采用一定的工程技術(shù)手段達(dá)到消除齒隙的目的，常采用的是機(jī)械消除和多電機(jī)同步聯(lián)動(dòng)消除齒隙的方法。但是機(jī)械消除的方法需要設(shè)計(jì)各種消隙結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)這些機(jī)構(gòu)的制造精度要求比較高，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可靠性也不高。多電機(jī)聯(lián)動(dòng)消隙的方法是在主軸啟動(dòng)過(guò)程中，兩組電機(jī)提供大小相等，方向相反的力矩，形成一對(duì)偏置力矩，使兩組小齒輪分別貼緊主軸齒輪的兩個(gè)相反的嚙合面，導(dǎo)致大齒輪不能在齒輪的間隙內(nèi)擺動(dòng)。這種方式一定程度上消除了齒隙帶來(lái)的影響，但是需要增加一組驅(qū)動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜程度增加，同時(shí)帶來(lái)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)之間同步協(xié)調(diào)等新問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明實(shí)施例提供一種帶齒隙傳動(dòng)的伺服系統(tǒng)中電機(jī)精確定位方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。—種帶齒隙傳動(dòng)的伺服系統(tǒng)中電機(jī)定位方法，所述伺服系統(tǒng)包括電機(jī)、第一旋轉(zhuǎn)變壓器、第二旋轉(zhuǎn)變壓器、具有齒隙的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和控制器，其中所述控制器采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制，其特征在于，所述方法包括以下步驟利用所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量所述傳動(dòng)系統(tǒng)輸出端的位置信息，利用所述第二旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，
利用所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置計(jì)算出電機(jī)的速度信息作為速度反饋，形成電機(jī)的速度環(huán)控制，根據(jù)所述電機(jī)的定位要求的控制精度和所述齒隙設(shè)置位置環(huán)的期望值，利用所述傳動(dòng)系統(tǒng)輸出端的位置信息經(jīng)反饋后通過(guò)所述控制器的位置環(huán)調(diào)節(jié)，將所述位置環(huán)的輸出值作為速度環(huán)的期望值，所述速度環(huán)的期望值與電機(jī)速度反饋值比較后，經(jīng)速度環(huán)調(diào)節(jié)，將所述速度環(huán)的輸出值作為電流環(huán)的期望值，最后經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)，完成三閉環(huán)控制。優(yōu)選地，當(dāng)所述電機(jī)的定位要求的控制精度大于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，將位置期望值輸入速度環(huán)，然后通過(guò)三閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓電機(jī)運(yùn)行到期望位置；當(dāng)電機(jī)要求的控制精度小于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，首先計(jì)算位置期望值與所述 第一旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨后將其與所述控制精度進(jìn)行比較，當(dāng)所述誤差在所述控制精度范圍內(nèi)時(shí)，將位置環(huán)的輸出值置為零，即速度環(huán)的期望值設(shè)為零。一種帶有伺服系統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述伺服系統(tǒng)包括電機(jī)、第一旋轉(zhuǎn)變壓器、第二旋轉(zhuǎn)變壓器、具有齒隙的傳動(dòng)系統(tǒng)和控制器，其中所述控制器采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制；所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器用于測(cè)量所述關(guān)節(jié)的位置信息，所述第二旋轉(zhuǎn)變壓器用于測(cè)量所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置用于計(jì)算電機(jī)的速度信息作為速度反饋，形成電機(jī)的速度環(huán)控制，所述控制器根據(jù)所述電機(jī)的定位要求的控制精度和所述齒隙設(shè)置位置環(huán)的期望值，所述關(guān)節(jié)的位置信息經(jīng)反饋后通過(guò)所述控制器的位置環(huán)調(diào)節(jié)，所述位置環(huán)的輸出值作為速度環(huán)的期望值，所述速度環(huán)的期望值與電機(jī)速度反饋值比較后，經(jīng)速度環(huán)調(diào)節(jié)，將所述速度環(huán)的輸出值作為電流環(huán)的期望值，最后經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)，完成三閉環(huán)控制。優(yōu)選地，當(dāng)所述電機(jī)的定位要求的控制精度大于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，將位置期望值輸入速度環(huán)，然后通過(guò)三閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓電機(jī)運(yùn)行到期望位置；當(dāng)電機(jī)要求的控制精度小于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，首先計(jì)算位置期望值與所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨后將其與所述控制精度進(jìn)行比較，當(dāng)所述誤差在所述控制精度范圍內(nèi)時(shí)，將位置環(huán)的輸出值置為零，即速度環(huán)的期望值設(shè)為零。本發(fā)明采用新的控制方法來(lái)提高電機(jī)的定位能力和定位精度，有效的解決了傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)控制方法中的缺陷，這種控制方法對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)具有以下有益效果I、本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)；2、電機(jī)定位保持能力好，定位精度高。3、齒輪傳動(dòng)平穩(wěn),位置保持時(shí),無(wú)碰撞和噪聲。
圖I是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是齒隙傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。如圖I所示，伺服系統(tǒng)由電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器I、旋轉(zhuǎn)變壓器2、關(guān)節(jié)和控制器組成，控制器采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制。旋轉(zhuǎn)變壓器I用于測(cè)量關(guān)節(jié)的位置信息，旋轉(zhuǎn)變壓器2用于測(cè)量電機(jī)的位置信息，利用位置信息計(jì)算出電機(jī)的速度信息作為速度反饋，形成電機(jī)的速度環(huán)控制。關(guān)節(jié)的位置信息經(jīng)反饋后通過(guò)控制器的位置環(huán)調(diào)節(jié)，輸出作為速度環(huán)的期望值，此值與電機(jī)速度反饋值比較后，經(jīng)速度環(huán)調(diào)節(jié)后，輸出值作為電流環(huán)的期望值，最后經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)，輸出控制三相橋，完成三閉環(huán)控制。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)要使電機(jī)定位于某一位置時(shí)，傳統(tǒng)的做法是將位置期望值輸入給控制系統(tǒng)，然后通過(guò)三閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓電機(jī)運(yùn)行到期望位置。在控制器的不斷調(diào)節(jié)控制下，電機(jī)最終會(huì)定位于期望位置。但是實(shí)驗(yàn)證明這種方法并不穩(wěn)定，由于齒輪傳動(dòng)齒隙α的存在，電機(jī)并不能可靠的停留在期望位置。當(dāng)控制器的強(qiáng)度比較大時(shí)，電機(jī)在接受到位置期望值后，在控制器的調(diào)控下快速向期望位置運(yùn)轉(zhuǎn)。但是在慣性作用下， 電機(jī)到達(dá)期望位置后不會(huì)立即停住不動(dòng)，而是會(huì)在一定的誤差范圍內(nèi)來(lái)回的轉(zhuǎn)動(dòng)，這就造成了一定的誤差，控制器仍會(huì)不斷的調(diào)節(jié)，使得電機(jī)不能平穩(wěn)的定位于這一位置固定不動(dòng)，因此，電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，保持能力比較差，而且會(huì)帶來(lái)較大的噪聲。如圖2所示，由于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間有齒隙，電機(jī)定位時(shí)的這種不穩(wěn)定性最終會(huì)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(duì)于齒輪的壽命、系統(tǒng)的穩(wěn)定性都造成了嚴(yán)重的影響。本發(fā)明采用的方法是當(dāng)電機(jī)的控制精度要求較高時(shí)，S卩ε < α，首先關(guān)節(jié)的位置信息由旋轉(zhuǎn)變壓器I檢測(cè)，反饋信號(hào)為Qf，輸入期望信號(hào)為0〃二者比較得到位置環(huán)誤差為EPi = ΘΓ-Θ f，位置環(huán)采用的控制器為PI控制器P—out = Kp _P* EPi +Ki-P 吃 EPj⑴式中，Kp_P為位置環(huán)的比例系數(shù)，Ki_P為位置環(huán)的積分系數(shù),EPi為位置環(huán)誤差。P_out作為位置環(huán)的輸出，同時(shí)也是速度環(huán)的期望值。速度環(huán)的誤差信號(hào)由旋轉(zhuǎn)變壓器2檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)S_FB與位置環(huán)的輸出P_out比較得到，即ESi = P_out-S_FB。速度環(huán)同樣采用PI控制器S_out = Kp _S*ESi + ^ _P ESj
( 2 )式中，Kp_S為速度環(huán)的比例系數(shù)，KlS為速度環(huán)的積分系數(shù)，ESi為速度環(huán)誤差。當(dāng)需要將關(guān)節(jié)定位于某一位置時(shí)，首先將位置期望值給定控制器，之后控制器會(huì)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到期望位置，同時(shí)控制器會(huì)不斷的檢測(cè)位置誤差EPi,當(dāng)檢測(cè)到-ε ^EPi ^ ε ( ε為定位精度)時(shí)，令P_out = 0，即令電機(jī)的速度期望值為零，這樣電機(jī)的速度為零，關(guān)節(jié)的位置就可以保持不變，穩(wěn)定于期望位置。但是如果當(dāng)檢測(cè)到位置誤差達(dá)到控制要求時(shí)，而將位置誤差EPi置為零，這時(shí)由(I)式可知，比例項(xiàng)為零，積分項(xiàng)不為零，即位置環(huán)的輸出不為零，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不會(huì)為零，電機(jī)仍會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)不到預(yù)期目的，因此只能采用前者的方法?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)原理，采用MAXON電機(jī)進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件定位精度是ε =0.002°，齒隙α = 0.005°。實(shí)驗(yàn)中電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，定位精確，噪聲小，保持能力好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到表I所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，求出其統(tǒng)計(jì)精度為土(O. 0018° +0. 0013。+1-0.0002。+...+1—0.0010° )/20= 土O. 0013°?？梢?jiàn)，利用此方法對(duì)于傳統(tǒng)齒隙傳動(dòng)中定位不平穩(wěn)的缺陷具有極大的改善作用，方法簡(jiǎn)單有效，定位精度較高。
權(quán)利要求
1.一種帶齒隙傳動(dòng)的伺服系統(tǒng)中電機(jī)定位方法，所述伺服系統(tǒng)包括電機(jī)、第一旋轉(zhuǎn)變壓器、第二旋轉(zhuǎn)變壓器、具有齒隙的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和控制器，其中所述控制器采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制，其特征在于，所述方法包括以下步驟 利用所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量所述傳動(dòng)系統(tǒng)輸出端的位置信息，利用所述第二旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置， 利用所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置計(jì)算出電機(jī)的速度信息作為速度反饋，形成電機(jī)的速度環(huán)控制， 根據(jù)所述電機(jī)的定位要求的控制精度和所述齒隙設(shè)置位置環(huán)的期望值，利用所述傳動(dòng)系統(tǒng)輸出端的位置信息經(jīng)反饋后通過(guò)所述控制器的位置環(huán)調(diào)節(jié)，將所述位置環(huán)的輸出值作為速度環(huán)的期望值， 所述速度環(huán)的期望值與電機(jī)速度反饋值比較后，經(jīng)速度環(huán)調(diào)節(jié)，將所述速度環(huán)的輸出值作為電流環(huán)的期望值，最后經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)，完成三閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述電機(jī)的定位要求的控制精度大于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，將位置期望值輸入速度環(huán)，然后通過(guò)三閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓電機(jī)運(yùn)行到期望位置； 當(dāng)電機(jī)要求的控制精度小于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，首先計(jì)算位置期望值與所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨后將其與所述控制精度進(jìn)行比較，當(dāng)所述誤差在所述控制精度范圍內(nèi)時(shí)，將位置環(huán)的輸出值置為零，即速度環(huán)的期望值設(shè)為零。
3.一種帶有伺服系統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述伺服系統(tǒng)包括電機(jī)、第一旋轉(zhuǎn)變壓器、第二旋轉(zhuǎn)變壓器、具有齒隙的傳動(dòng)系統(tǒng)和控制器，其中所述控制器采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制； 所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器用于測(cè)量所述關(guān)節(jié)的位置信息，所述第二旋轉(zhuǎn)變壓器用于測(cè)量所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置， 所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置用于計(jì)算電機(jī)的速度信息作為速度反饋，形成電機(jī)的速度環(huán)控制， 所述控制器根據(jù)所述電機(jī)的定位要求的控制精度和所述齒隙設(shè)置位置環(huán)的期望值，所述關(guān)節(jié)的位置信息經(jīng)反饋后通過(guò)所述控制器的位置環(huán)調(diào)節(jié)，所述位置環(huán)的輸出值作為速度環(huán)的期望值， 所述速度環(huán)的期望值與電機(jī)速度反饋值比較后，經(jīng)速度環(huán)調(diào)節(jié)，將所述速度環(huán)的輸出值作為電流環(huán)的期望值，最后經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)，完成三閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，當(dāng)所述電機(jī)的定位要求的控制精度大于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，將位置期望值輸入速度環(huán)，然后通過(guò)三閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓電機(jī)運(yùn)行到期望位置； 當(dāng)電機(jī)要求的控制精度小于所述傳動(dòng)系統(tǒng)的齒隙時(shí)，首先計(jì)算位置期望值與所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的位置信息之間的誤差，隨后將其與所述控制精度進(jìn)行比較，當(dāng)所述誤差在所述控制精度范圍內(nèi)時(shí)，將位置環(huán)的輸出值置為零，即速度環(huán)的期望值設(shè)為零。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種齒隙傳動(dòng)中的電機(jī)精確定位的方法，所述伺服系統(tǒng)包括電機(jī)、第一旋轉(zhuǎn)變壓器、第二旋轉(zhuǎn)變壓器、具有齒隙的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和控制器，其中所述控制器采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制。通過(guò)采用新的控制方法來(lái)提高電機(jī)的定位能力和定位精度，有效的解決了傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)控制方法中的缺陷。
文檔編號(hào)H02K7/10GK102820839SQ20111015474
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者蔣志宏, 楊健, 李丹鳳, 李輝, 黃強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)