[發明專利]一種用于雙電機伺服系統的消隙同步控制方法

有效

• 申請號: 201610022004.9
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105610350B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 任雪梅;王敏林;李原;喬大鵬
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H02P5/46
• 分類號: H02P5/46
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 鮑文娟

技術領域

本發明涉及一種用于雙電機伺服系統的消隙同步控制方法，尤其涉及一種關于雙電機伺服系統的跟蹤、同步與消隙的綜合控制方法，屬于機電控制技術領域。

背景技術

伺服系統的應用領域極為廣泛，無論在工業上還是在軍事上，伺服系統都起著舉足輕重的作用。隨著現代科技的發展，諸如數控設備的精確定位，電子設備的精密加工，雷達、火炮的精確控制等，伺服系統所發揮的作用越來越突出，對其性能指標也提出越來越高的要求。而對與某些大慣量、大功率的伺服系統而言，單電機伺服系統無論在功率上還是在性能上都已經難以滿足要求,因此采取包括雙電機同步聯動在內的多種控制方式是現今伺服系統研究和發展的方向之一。雙電機同步聯動的優點不僅僅在于提高系統的功率,還可以通過采取適當的措施有效的消除傳動鏈齒隙,從而提高控制精度。

在雙電機伺服系統中,影響系統控制性能的主要因素是動力傳遞過程中廣泛存在著的各種非線性,如齒隙、死區、摩擦及飽和等非線性,它們成為影響控制精度的主要因素。而其中內部齒隙作為影響雙電機系統性能的主要因素，一直是國內外專家研究的重點和難點。

內部齒隙主要指齒隙非線性存在于驅動系統與從動系統之間，如電機與負載間的齒隙。這類非線性一般常用死區模型來描述，其補償方法主要分為切換控制和冗余控制兩類。其中切換策略比較適用于單電機驅動負載的情況，Zhao等針對內部齒隙設計一種切換控制控制方法，在正常情況下采用PID控制，在間隙時采用基于反步平面的時間次優控制。Tao等針對含齒隙的多輸入多輸出系統進行研究，并將系統的運行過程分為三個部分，分別提出切換最優控制器，保證了以最短時間和最小能耗補償齒隙非線性。

冗余消隙作為雙電機系統特有的消隙方法，已受到許多專家學者的青睞。Gawronski等采用冗余控制策略，在保證跟蹤控制的前提下，給兩組驅動子系統施加大小相等、方向相反的力矩，從而使內部齒隙非線性轉換成為可控的近似線性系統。冗余策略需要持續施加力矩，這會造成系統能耗的增加以及整體效率的降低。為了解決這個問題，Liang等根據消隙控制器與負載加速度之間的關系，設計了一種實時的消隙控制器補償器，降低了系統的能耗，提高了補償效率。但由于負載端加速度信號難以提取，并且安裝加速度信號的傳感器價格昂貴，因此該方法并不具有實際的應用價值。

此外，雙電機的同步運行是影響系統性能的另外一個重要因素，如果多個電機在工作中不同步，則會引起一部分電機超出額定狀態工作，另外一部分電機則低于額定狀態工作，從而使電機的壽命縮短甚至損壞，導致系統受力不平衡，最終使整個大功率隨動系統的整體性能變差。

為了實現多驅動系統的快速同步控制，許多先進的控制算法(如：智能控制、變結構控制等)與同步策略相結合設計控制器，提高系統的魯棒性、瞬態特性、穩態特性等整體性能。Sun等針對不精確的多電機驅動模型，提出了一種含有變化因子的模糊控制算法，該算法能夠有效抑制超調保證電機速度的快速同步。由于PID算法易實現，且易操作，因此廣泛應用于實際系統控制。但是，考慮到PID參數整定對系統實時控制帶來的不便，學者們將模糊算法以及神經網絡與PID相結合實現同步控制。該方法保證控制器參數隨多電機同步偏差實時變化，使得各電機能夠快速地達到一致，從而增強了系統的動態性能。

常用的尋優算法包括傳統的解析法、枚舉法、隨機法以及新興的粒子群算法和遺傳算法。在這些優化算法中，解析法要求目標函數連續光滑，且需要導數信息，這兩個缺點將導致魯棒性較差。枚舉法計算效率太低，“指數爆炸”，對中等規模和適度復雜性的問題也常常無能為力。隨機法出于效率考慮，搜索到一定程度便終止，所得結果一般尚不是最優解。而粒子群算法由于其操作簡單性和運行高效性成為尋優問題中最常用的方法。

綜上所述，現有的偏置力矩消隙方法是一種工程設計方法，所施加的偏置力矩是否能夠消隙并沒有在理論上得到證明，只能通過實驗試湊的方法來達到消隙的目的。而且以往的同步控制設計方案中并沒有考慮同步控制器對系統跟蹤性能的影響，而在其實現過程中往往是先實現跟蹤再達到同步，因此如何設計一種綜合控制器使負載跟蹤、電機同步以及消除齒隙同時實現是非常具有實際工程價值的。

發明內容

本發明公開的一種用于雙電機伺服系統的消隙同步控制方法，要解決的技術問題是實現負載跟蹤的前提下，消除齒隙非線性的影響并且保證電機間的同步。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：