[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

技術領域

本發明屬于諧波傳動的高精度伺服控制領域，具體涉及一種光電跟蹤系統中諧波減速器的高精度控制系統及方法。諧波減速器屬于柔性齒輪傳動，故帶有諧波減速器的平臺不可避免地要受到傳動間隙及柔性帶來的非線性影響，這主要表現為一種死區現象。本發明有助于抑制間隙和柔性帶來的死區非線性的特性，提高伺服系統的跟蹤精度。

技術背景

諧波傳動是二十世紀八九十年代快速發展起來的一種傳動技術，其以體積小，重量輕，傳動比大，傳動間隙小的優勢在各種減速器傳動中脫穎而出。它利用剛輪與柔輪之間齒數差來傳遞能量，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比，保證了輸出力矩。它的出現也利于解決在機載，車載等運動平臺中選用力矩電機直接驅動所帶來的體積和重量方面都過大的問題。然而相比力矩電機直接驅動，諧波傳動也有著它自身的問題，如微小的傳動間隙，柔性傳動，摩擦大等問題。因此，自諧波傳動問世以來，克服其傳動間隙，柔性及摩擦等方面的缺陷一直也都是研究的重點。近些年來，針對諧波傳動的一些非線性特性，也涌現了許多的控制算法和控制結構。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動系統的研究》(《中國機械工程》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載帶來的振動，提出了基于加速度傳感器反饋控制，增加了系統的主動阻尼來抑制系統的非線性擾動，但該方法需要引入加速度計來測量負載的加速度。北京航空航天大學的韓邦成等人在文章《諧波減速器的非線性摩擦建模及補償》(《光學精密工程》2011年，第19卷5期，1095-1103頁)中提出通過設計角速率估計器計算出摩擦力矩，推導并建立諧波減速器的非線性摩擦力模型，將其加入伺服系統作為前饋補償。王會方等人在文章《諧波驅動伺服系統的改進自適應魯棒控制》(《浙江大學學報》2012年，46卷10期，1757-1763頁)中提出利用一種改進的自適應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。夏斌在碩士學位論文《諧波驅動系統非線性控制》(西安電子科技大學2012年碩士學位論文)中針對諧波驅動系統不同的工作情況，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。

與上述控制方法不同的是本發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中提高諧波傳動的位置跟蹤精度。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：克服系統傳動間隙，柔性及摩擦帶來的非線性死區特性。針對傳統技術在抑制系統非線性死區特性方面的不足，提出了一種諧波傳動的高精度位置控制方法，具有精度高、控制結構簡單和便于調試的優點。

本發明的技術解決方案為：諧波傳動的高精度位置控制系統由電流環，電機端速度環，負載端速度環和負載位置環組成的多閉環控制系統。通過設計電機端速度環，將諧波減速器的非線性特性隔離在電機電流環和速度環之外，增加了直流無刷伺服電機的抗擾動能力。在電機速度環之外在設計負載速度環和負載位置環，實現諧波傳動的高精度位置控制，克服諧波傳動的非線性死區特性。

諧波傳動的高精度位置控制系統，包括：電流環控制器、電機端速度環控制器、負載端速度環控制器、負載端位置環控制器；電流環控制器和電機端速度環控制器所需硬件包括：直流無刷電機、旋轉編碼器和電機驅動器；負載端速度環控制器所需硬件包括：直流無刷電機、旋轉編碼器、電機驅動器、主控計算機和測速機；負載端位置環控制器所需硬件包括：直流無刷電機、旋轉編碼器、電機驅動器、主控計算機、測速機和光電編碼器；其中旋轉編碼器裝在直流無刷電機的尾部，利用旋轉編碼器特性通過檢測出直流無刷電機內部轉子的位置，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和諧波減速器的機殼固定在系統的機架上，需要兩個固定的過渡件，即第一過渡件和第二過渡件，通過這兩個過渡件，直流無刷電機和諧波減速被固定在機架上，諧波減速器輸出的低速軸用一個隨負載轉動的聯接件聯接到負載上。

控制過程：如圖1、2所示，最外回路中由主控計算機發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載端位置環控制器進行負載端位置環校正。位置環校正后的信號再與測速機反饋回來的速度信號送到負載端速度環控制器作負載端速度校正。負載端速度環校正后的信號與旋轉編碼器解耦后的速度信號，再送給電機端速度環控制器作電機端速度校正。校正后的信號再與電機驅動器內部檢測到的電流信號送到電流環控制器做電流校正，最終將校正完成的指令信號送給直流無刷電機，從而經過諧波減速器帶動負載運動。