[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

為了減小非線性干擾力矩對二維高精度轉臺精度的影響，本發明提供了一種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。本發明依據負載偏心產生的偏心重力力矩具有余弦特性，進行力矩補償，達到消除偏心重力力矩，實現負載偏心二維轉臺俯仰運動的高精度高平穩控制。

技術領域

本發明屬于二維精密轉臺伺服運動控制領域，涉及一種負載偏心下二維轉臺高精度伺服運動控制問題，具體涉及一種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。

背景技術

在航空、平流層飛艇等飛行器上，由于安裝空間受限，其上搭載的二維高精度轉臺常常出現俯仰軸上負載無法配平，有較大偏心的情況(如圖5所示)，需要設計相應的控制策略，減少偏心導致的非線性擾動力矩。

國內外對負載偏心下二維轉臺俯仰運動控制研究文獻與專利較少，而多自由度機械臂的末端關節也無法進行配重，其抓舉、搬運也會具有負載偏心的相似特點。但是多自由度機械臂與二維轉臺的控制系統上還是有所差異，多自由度機械臂可以利用自身運動來實現自身平衡，而二維轉臺無法采用此策略。

多自由度機械臂的末端關節控制與抓舉等伺服控制策略，由于多關節聯合協同運動，運動學與動力學均復雜，只能默認力矩變化為未知，需進行偏心力矩辨識后應用現代控制理論進行補償。而二維轉臺的負載偏心位置不變，其控制策略可以進行簡化。

本發明根據工程實踐，設計了一種負載偏心下二維轉臺俯仰運動的高精度伺服控制系統與方法，不僅適用于地面無法配平的經緯儀，也適用于航空、航天類似負載偏心下二維轉動機構的控制。

發明內容

為了減小非線性干擾力矩對二維高精度轉臺精度的影響，本發明提供了一種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。

本發明的技術方案是：

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；

其特殊之處在于：

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；

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。

本發明還提供了一種基于上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，其特殊之處在于，包括以下步驟：

1)數據準備