[發明專利]負載偏心下二維轉臺俯仰運動的高精度伺服控制系統及方法

有效

• 申請號: 202010129275.0
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111258337B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 劉軍;劉鵬;張晶;李治國
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;H02P29/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 王凱敏

1.負載偏心下二維轉臺俯仰運動的高精度伺服控制系統，包括位置環控制器、速度環控制器、D/A轉換器、電流環控制器、PWM逆變器、電機電流信息采集與處理單元、高精度角度傳感器和角速度運算器；

其特征在于：

還包括偏心力矩運算器和加法器；

偏心力矩運算器包括偏心重力力矩對應電流值計算單元、偏心重力力矩對應電流值正負判斷單元和當量轉換單元；

偏心重力力矩對應電流值計算單元用于接收來自所述高精度角度傳感器的俯仰軸負載繞OX軸的實時轉動角度θ_i，并依據公式mgρcos(θ₀+θ_i)計算偏心負載引發的偏心重力力矩值，以及依據公式mgρcos(θ₀+θ_i)/K_T計算為了補償偏心重力力矩值，對應俯仰軸電機所需輸出電流值，即為偏心重力力矩對應電流值；m為偏心負載的總質量；g為重力加速度；ρ為俯仰軸負載質心點在基座坐標系OXYZ下的偏心距；θ₀為俯仰軸負載質心點在基座坐標系OXYZ下的偏心角度；K_T為俯仰軸電機力矩系數，單位NmA；

偏心重力力矩對應電流值正負判斷單元用于接收來自所述高精度角度傳感器的實時轉動角度θ_i經角速度運算器處理輸出的的實時轉動角速度并依據實時轉動角速度判斷出所述偏心重力力矩對應電流值的±符號；

所述當量轉換單元用于依據所述D/A轉換器的單位數字量與所述俯仰軸電機輸出力矩、俯仰軸電機電流的當量關系將帶±符號的偏心重力力矩對應電流值轉換為數字控制量D_t輸出給所述加法器；

所述加法器用于將所述數字控制量D_t與所述速度環控制器輸出的電流控制量D_k相加，將相加結果輸出給所述D/A轉換器。

2.基于權利要求1所述負載偏心下二維轉臺俯仰運動的高精度伺服控制系統的高精度伺服控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)數據準備

稱重確認偏心負載的總質量m；根據俯仰軸電機出廠測試報告獲取俯仰軸電機力矩系數K_T；根據軸承及潤滑情況，參照電機轉子手冊與轉軸設計參數，估算力矩T_d；力矩T_d為軸系摩擦力矩與電機轉子、轉軸轉動的驅動力矩的總和；

2)在俯仰軸上裝配偏心負載；

3)求解偏心負載的偏心位置

3.1)向俯仰運動的伺服控制系統輸入角度定位指令θ，θ為俯仰軸上負載繞OX軸的轉動角度，是定值，則有ρcos(θ₀+θ)＝(K_T*I-T_d)/mg；

3.2)向3.1)中的公式輸入兩個以上不同的θ得到不同的俯仰軸電機電流I，聯立為矛盾方程組，求解出偏心負載的偏心位置(ρ，θ₀)的極小最小二乘解；

4)獲取偏心重力力矩對應電流值的數字控制量D_t

4.1)將俯仰軸負載繞OX軸的實時轉動角度θ_i與對實時轉動角度θ_i處理得到的實時轉動角速度注入偏心力矩運算器；

4.2)根據公式mgρcos(θ₀+θ)計算偏心負載引發的偏心重力力矩值，根據公式mgρcos(θ₀+θ)/K_T計算偏心重力力矩對應電流值；

4.3)根據對實時轉動角度θ_i處理得到的實時轉動角速度判斷出偏心重力力矩對應電流值的±符號；

4.4)當量轉換

依據D/A轉換器的單位數字量與俯仰軸電機輸出力矩、俯仰軸電機電流的當量關系將帶±符號的偏心重力力矩對應電流值轉換為數字控制量D_t輸出；

5)三閉環參數指標精度調試。

3.根據權利要求2所述的高精度伺服控制方法，其特征在于：所述步驟5)具體為：將步驟4)得到的數字控制量D_t與速度環控制器輸出的電流控制量D_k相加，將相加結果最終輸出給D/A轉換器，D/A轉換器將數字量轉換為模擬電流控制量i輸出；模擬電流控制量i與電機電流信息采集與處理單元輸出的電流采集模擬量，相減輸出給電流環控制器，構成電流閉環控制，最終構成三閉環系統，實現負載偏心下偏心力矩實時精確補償的功能。