[发明专利]一种谐波传动的高精度位置控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于谐波传动的高精度伺服控制领域，具体涉及一种光电跟踪系统中谐波减速器的高精度控制系统及方法。谐波减速器属于柔性齿轮传动，故带有谐波减速器的平台不可避免地要受到传动间隙及柔性带来的非线性影响，这主要表现为一种死区现象。本发明有助于抑制间隙和柔性带来的死区非线性的特性，提高伺服系统的跟踪精度。

技术背景

谐波传动是二十世纪八九十年代快速发展起来的一种传动技术，其以体积小，重量轻，传动比大，传动间隙小的优势在各种减速器传动中脱颖而出。它利用刚轮与柔轮之间齿数差来传递能量，使得减速器在体积和重量较小的情况下还能有较大的传动比，保证了输出力矩。它的出现也利于解决在机载，车载等运动平台中选用力矩电机直接驱动所带来的体积和重量方面都过大的问题。然而相比力矩电机直接驱动，谐波传动也有着它自身的问题，如微小的传动间隙，柔性传动，摩擦大等问题。因此，自谐波传动问世以来，克服其传动间隙，柔性及摩擦等方面的缺陷一直也都是研究的重点。近些年来，针对谐波传动的一些非线性特性，也涌现了许多的控制算法和控制结构。如邱志成等人在文章《基于加速度传感器反馈控制的谐波驱动系统的研究》(《中国机械工程》2000年，第11卷11期，1201-1205页)中，为抑制谐波减速器柔性、非线性摩擦等因素给负载带来的振动，提出了基于加速度传感器反馈控制，增加了系统的主动阻尼来抑制系统的非线性扰动，但该方法需要引入加速度计来测量负载的加速度。北京航空航天大学的韩邦成等人在文章《谐波减速器的非线性摩擦建模及补偿》(《光学精密工程》2011年，第19卷5期，1095-1103页)中提出通过设计角速率估计器计算出摩擦力矩，推导并建立谐波减速器的非线性摩擦力模型，将其加入伺服系统作为前馈补偿。王会方等人在文章《谐波驱动伺服系统的改进自适应鲁棒控制》(《浙江大学学报》2012年，46卷10期，1757-1763页)中提出利用一种改进的自适应鲁棒控制算法来抑制谐波减速器对象的不确定性及非线性。夏斌在硕士学位论文《谐波驱动系统非线性控制》(西安电子科技大学2012年硕士学位论文)中针对谐波驱动系统不同的工作情况，提出了非线性比例-微分控制器和基于位置测量的输出反馈控制。

与上述控制方法不同的是本发明提出一种简便的控制算法，它主要用于光电跟踪控制系统中提高谐波传动的位置跟踪精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服系统传动间隙，柔性及摩擦带来的非线性死区特性。针对传统技术在抑制系统非线性死区特性方面的不足，提出了一种谐波传动的高精度位置控制方法，具有精度高、控制结构简单和便于调试的优点。

本发明的技术解决方案为：谐波传动的高精度位置控制系统由电流环，电机端速度环，负载端速度环和负载位置环组成的多闭环控制系统。通过设计电机端速度环，将谐波减速器的非线性特性隔离在电机电流环和速度环之外，增加了直流无刷伺服电机的抗扰动能力。在电机速度环之外在设计负载速度环和负载位置环，实现谐波传动的高精度位置控制，克服谐波传动的非线性死区特性。

谐波传动的高精度位置控制系统，包括：电流环控制器、电机端速度环控制器、负载端速度环控制器、负载端位置环控制器；电流环控制器和电机端速度环控制器所需硬件包括：直流无刷电机、旋转编码器和电机驱动器；负载端速度环控制器所需硬件包括：直流无刷电机、旋转编码器、电机驱动器、主控计算机和测速机；负载端位置环控制器所需硬件包括：直流无刷电机、旋转编码器、电机驱动器、主控计算机、测速机和光电编码器；其中旋转编码器装在直流无刷电机的尾部，利用旋转编码器特性通过检测出直流无刷电机内部转子的位置，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和谐波减速器的机壳固定在系统的机架上，需要两个固定的过渡件，即第一过渡件和第二过渡件，通过这两个过渡件，直流无刷电机和谐波减速被固定在机架上，谐波减速器输出的低速轴用一个随负载转动的联接件联接到负载上。

控制过程：如图1、2所示，最外回路中由主控计算机发出位置控制指令与光电编码器测到的位置信号一并送到负载端位置环控制器进行负载端位置环校正。位置环校正后的信号再与测速机反馈回来的速度信号送到负载端速度环控制器作负载端速度校正。负载端速度环校正后的信号与旋转编码器解耦后的速度信号，再送给电机端速度环控制器作电机端速度校正。校正后的信号再与电机驱动器内部检测到的电流信号送到电流环控制器做电流校正，最终将校正完成的指令信号送给直流无刷电机，从而经过谐波减速器带动负载运动。