[發明專利]一種諧波傳動的高精度位置控制系統及方法

有效

• 申請號: 201410299719.X
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104062983B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 黃永梅;蔡華祥;杜俊峰;唐濤;張桐;付承毓
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

1.諧波傳動的高精度位置控制系統，其特征在于包括：電流環控制器(1000)、電機端速度環控制器(1001)、負載端速度環控制器(1002)、負載端位置環控制器(1003)；電流環控制器(1000)和電機端速度環控制器(1001)所需硬件包括：直流無刷電機(100)、旋轉編碼器(101)和電機驅動器(110)；負載端速度環控制器(1002)所需硬件包括：直流無刷電機(100)、旋轉編碼器(101)、電機驅動器(110)、主控計算機(111)和測速機(108)；負載端位置環控制器(1003)所需硬件包括：直流無刷電機(100)、旋轉編碼器(101)、電機驅動器(110)、主控計算機(111)、測速機(108)和光電編碼器(109)；其中旋轉編碼器(101)裝在直流無刷電機(100)的尾部，利用旋轉編碼器(101)特性通過檢測出直流無刷電機(100)內部轉子的位置，并解耦出相應的速度和電流，以便能完成電機端速度環和電流環的設計；為盡量避免聯接件之間造成的剛度損失，將電機的輸出軸直連到諧波減速器(102)的波發生器上，作為減速器輸入的高速軸，同時為了將直流無刷電機(100)和諧波減速器(101)的機殼固定在系統的機架(103)上，需要兩個固定的過渡件，即第一過渡件(104)和第二過渡件(105)，通過這兩個過渡件，直流無刷電機(100)和諧波減速(101)被固定在機架(103)上，諧波減速器(101)輸出的低速軸用一個隨負載轉動的聯接件(106)聯接到負載(107)上。

2.一種安裝諧波傳動的高精度位置控制方法，其特征在于步驟如下：

第一步，設計諧波傳動系統中電流環控制器(1000)；

電機驅動器(110)內部有檢測電流的器件能檢測出電機上三相電流的大小，利用該器件檢測出的電流作為電流環驅動的反饋信號，電機驅動器(110)上給直流無刷電機(100)輸入的驅動電流作為參考信號，設計的電流環控制器C_I(s)如下：

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

其中K_pi為比例系數，K_ii為積分系數，s為拉普拉斯算子；

第二步，利用負載端的測速機設計負載端速度環控制器(1002)；

獲取包含諧波減速器非線性死區特性速度跟蹤實驗數據；負載端速度環回路是在電流環回路基礎上的一個閉環回路，主要利用測速機(108)實時測得的負載速度信號作為反饋信號，由主控計算機(111)發出的速度信號作為系統的參考信號，設計負載端速度環控制器(1002)C_Vl(s)如下：

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

其中K_pl為比例系數，K_il為積分系數，s為拉普拉斯算子；將該控制器輸出信號作為電機驅動器(110)的參考信號，即電流環控制器(1000)的參考信號，然后再完成所述第一步，最后實時記錄測速機(108)測得的負載(107)的速度數據；

第三步，利用檢測負載角位置的光電編碼器設計負載端位置環控制器(1003)；

負載位置環回路是在速度環回路和電流環回路基礎上的一個閉環回路，主要利用高精度的光電編碼器(109)實時測得的負載位置信號作為反饋信號，由主控計算機發出的運動信號作為系統的參考信號，設計負載端位置環控制器(1003)C_P(s)如下：

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

其中K_p為比例系數，K_i為積分系數，s為拉普拉斯算子，將該控制器輸出信號作為速度環的參考信號，然后再完成所述第二步；最后實時記錄光電編碼器(109)測得負載的位置數據；

第四步，在基于第一步和第二步的基礎上，設計電機端速度環控制器(1001)；

利用直流無刷電機(100)末端的旋轉編碼器(101)實時測得的電機位置信號，微分后得到電機轉子的速度信號，并將其作為電機端閉環回路的反饋信號，而由所述第二步中負載端速度環送出的信號作為電機端速度環的參考信號，設計電機端速度環控制器(1001)C_Vm(s)如下：

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

其中為比例系數，為積分系數，s為拉普拉斯算子；將該控制器輸出信號作為速度環的參考信號，然后再完成第二步回路；最后實時記錄光電編碼器(109)測得的負載位置數據；

第五步，設計在前四步基礎上的負載端位置環控制器(1003)；

在所述第四步的基礎上，參照第三步設計負載端位置環控制器(1003)C_P2(s)如下：

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

其中K_p2為單速度環下負載端位置環比例系數，K_i2為單速度環下負載端位置環積分系數；將負載(107)端光電編碼器(109)測得的位置信號作為反饋信號，主控信號發出的運動信號作為參考信號，設計閉環控制器，輸出信號送到負載端速度環控制器(1002)，負載端速度環控制器(1002)的輸出信號送到電機端速度環控制器(1001)，最后傳到電流環控制器(1000)，至此，整個控制系統控制器設計完畢。

3.根據權利要求2所述的諧波傳動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在于抑制諧波減速器柔性和非線性摩擦帶給諧波傳動系統的非線性死區特性；所述的第二步、第三步和第四步中所設計的控制器可以是PI型控制、PID型控制、自抗擾控制、模糊控制。