[发明专利]一种谐波传动的高精度位置控制系统及方法

权利要求书

1.谐波传动的高精度位置控制系统，其特征在于包括：电流环控制器(1000)、电机端速度环控制器(1001)、负载端速度环控制器(1002)、负载端位置环控制器(1003)；电流环控制器(1000)和电机端速度环控制器(1001)所需硬件包括：直流无刷电机(100)、旋转编码器(101)和电机驱动器(110)；负载端速度环控制器(1002)所需硬件包括：直流无刷电机(100)、旋转编码器(101)、电机驱动器(110)、主控计算机(111)和测速机(108)；负载端位置环控制器(1003)所需硬件包括：直流无刷电机(100)、旋转编码器(101)、电机驱动器(110)、主控计算机(111)、测速机(108)和光电编码器(109)；其中旋转编码器(101)装在直流无刷电机(100)的尾部，利用旋转编码器(101)特性通过检测出直流无刷电机(100)内部转子的位置，并解耦出相应的速度和电流，以便能完成电机端速度环和电流环的设计；为尽量避免联接件之间造成的刚度损失，将电机的输出轴直连到谐波减速器(102)的波发生器上，作为减速器输入的高速轴，同时为了将直流无刷电机(100)和谐波减速器(101)的机壳固定在系统的机架(103)上，需要两个固定的过渡件，即第一过渡件(104)和第二过渡件(105)，通过这两个过渡件，直流无刷电机(100)和谐波减速(101)被固定在机架(103)上，谐波减速器(101)输出的低速轴用一个随负载转动的联接件(106)联接到负载(107)上。

2.一种安装谐波传动的高精度位置控制方法，其特征在于步骤如下：

第一步，设计谐波传动系统中电流环控制器(1000)；

电机驱动器(110)内部有检测电流的器件能检测出电机上三相电流的大小，利用该器件检测出的电流作为电流环驱动的反馈信号，电机驱动器(110)上给直流无刷电机(100)输入的驱动电流作为参考信号，设计的电流环控制器C_I(s)如下：

CI(s)=(Kpis+Kii)s]]>

其中K_pi为比例系数，K_ii为积分系数，s为拉普拉斯算子；

第二步，利用负载端的测速机设计负载端速度环控制器(1002)；

获取包含谐波减速器非线性死区特性速度跟踪实验数据；负载端速度环回路是在电流环回路基础上的一个闭环回路，主要利用测速机(108)实时测得的负载速度信号作为反馈信号，由主控计算机(111)发出的速度信号作为系统的参考信号，设计负载端速度环控制器(1002)C_Vl(s)如下：

CVl(s)=(Kpls+Kil)s]]>

其中K_pl为比例系数，K_il为积分系数，s为拉普拉斯算子；将该控制器输出信号作为电机驱动器(110)的参考信号，即电流环控制器(1000)的参考信号，然后再完成所述第一步，最后实时记录测速机(108)测得的负载(107)的速度数据；

第三步，利用检测负载角位置的光电编码器设计负载端位置环控制器(1003)；

负载位置环回路是在速度环回路和电流环回路基础上的一个闭环回路，主要利用高精度的光电编码器(109)实时测得的负载位置信号作为反馈信号，由主控计算机发出的运动信号作为系统的参考信号，设计负载端位置环控制器(1003)C_P(s)如下：

CP(s)=(Kps+Ki)s]]>

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子，将该控制器输出信号作为速度环的参考信号，然后再完成所述第二步；最后实时记录光电编码器(109)测得负载的位置数据；

第四步，在基于第一步和第二步的基础上，设计电机端速度环控制器(1001)；

利用直流无刷电机(100)末端的旋转编码器(101)实时测得的电机位置信号，微分后得到电机转子的速度信号，并将其作为电机端闭环回路的反馈信号，而由所述第二步中负载端速度环送出的信号作为电机端速度环的参考信号，设计电机端速度环控制器(1001)C_Vm(s)如下：

CVm(s)=(Kpvms+Kivm)s]]>

其中为比例系数，为积分系数，s为拉普拉斯算子；将该控制器输出信号作为速度环的参考信号，然后再完成第二步回路；最后实时记录光电编码器(109)测得的负载位置数据；

第五步，设计在前四步基础上的负载端位置环控制器(1003)；

在所述第四步的基础上，参照第三步设计负载端位置环控制器(1003)C_P2(s)如下：

CP2(s)=(Kp2s+Ki2)s]]>

其中K_p2为单速度环下负载端位置环比例系数，K_i2为单速度环下负载端位置环积分系数；将负载(107)端光电编码器(109)测得的位置信号作为反馈信号，主控信号发出的运动信号作为参考信号，设计闭环控制器，输出信号送到负载端速度环控制器(1002)，负载端速度环控制器(1002)的输出信号送到电机端速度环控制器(1001)，最后传到电流环控制器(1000)，至此，整个控制系统控制器设计完毕。

3.根据权利要求2所述的谐波传动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双速度闭环在于抑制谐波减速器柔性和非线性摩擦带给谐波传动系统的非线性死区特性；所述的第二步、第三步和第四步中所设计的控制器可以是PI型控制、PID型控制、自抗扰控制、模糊控制。