CN100462875C - 具有间隙特性传动机构的控制系统 - Google Patents

Abstract

具有间隙特性传动机构的控制系统，本发明属于在伺服系统中带有间隙的传动机构的控制系统，该控制系统包括线性控制电路1，死区电路2，PWM电路3，伺服电机4，传动机构及负载5及位置电位计6。其特征是为了有效的改变原非线性系统的极限环，在控制系统的线性控制电路1后级联了死区电路2，当传动机构固定后，其固有频率为常数，则系统稳定时允许的间隙值与死区的宽度成正比关系。因此在设计中依据间隙的大小，适当的选取死区宽度，即可有效地抑制有间隙带来的自振；提高系统的相应带宽；可以减弱系统在过渡过程中的振荡性，提高了系统的稳定性。同时具有设计科学，制作简单，成本低廉，便于推广等优点。

Description

具有间隙特性传动机构的控制系统

技术领域

本发明属于齿轮伺服系统稳定性的控制技术，特别涉及具有间隙特性传动机构的控制系统。

背景技术

在伺服系统中，由于采用高速电机、受到空间限制或者需要改变运动方式，因此需要采用齿轮、丝杠以及涡轮蜗杆等传动机构。这类传动机构从结构上都存在着间隙，而间隙对传动机构的影响比较复杂，对于系统的静态影响，会增大系统静态误差；对于动态品质的影响，会促使输出量相位滞后，使系统的稳定裕度下降，振荡加强，动态品质变坏。

为了减少间隙对传动机构的影响，提高伺服系统的稳定系性，已知中国实用新型专利99219094号公开了“一种减振防缓装置”其特征是由外套和减振环构成，能够减少高速运转产生的齿轮振动。另外中国发明专利91106768号又公开了“一种低振动、低噪声齿轮的设计方法”，其特征是齿轮的啮入点在节点之后，齿轮的啮入点在中心连线之后，齿轮的啮入冲击小于啮出冲击。未见有关基于电路控制方面的报导。

发明内容

需要解决的问题：为了克服间隙对传动机构的影响，提高伺服系统的稳定系性，本发明提供了具有间隙特性传动机构的控制系统，在设计带有间隙非线性的系统中采用减小齿轮间隙和加入适当宽度死区并举的措施，解决了间隙对传动机构的不良影响，提高了系统的动态品质。

应用现有技术，系统在阶跃输入下，其输出量跟随输入量而变化，传动会产生相位滞后，因此，系统易出现超调。当系统出现超调时，电机反向转动，由于间隙的存在，输出角度在某一区间内不变，直到消除间隙后，输出量才反向逼近输入量。这时电机反向已具有一定速度，电机电枢已贮存了一定的动能，并将带动输出轴更快的反转，从而造成反向超调。当反向超调与正向超调相同时，系统保持自振。大大地影响了系统的稳定精度。根据奈奎斯特定理，推导出加入死区环节增大了控制系统对传动机构间隙的容许范围。根据传动机构产生极限环的条件为

$A\left({\mathrm{\ω}}_n\right)\·[\frac{1}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}_n^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\λ}}_n\right)}^2}}-\frac{a_s}{K_G{\mathrm{\θ}}_l}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2{\mathrm{\θ}}_l}]=1$

其中，λ_n＝ω_n，p是传动机构的固有频率，ξ是机械阻尼比，A(ω)＝|G(ω)|。可推导出机电伺服系统稳定条件为

Δ<[Δ]＝2a_sf(λ)

当传动机构固定后，f(λ)为常数，所以系统稳定时允许的传动机构间隙值与死区的宽度成正比关系。

因此在设计中依据传动机构的间隙大小，适当的选取死区宽度，在一定范围内有效地抑制了传动机构的间隙给系统带来的影响，提高了系统的稳定性和稳定精度。

采用的技术方案：对于存在间隙非线性的位置稳定系统，系统的开环增益较大时，会使系统进入周期运动，出现自振现象。在系统中加入死区可以有效地抑制有间隙带来的自振，但由于死区会使系统的稳态误差加大，在设计带有间隙非线性的系统中采用减小齿轮间隙和加入适当宽度死区并举的措施。

在具有间隙传动机构的位置控制系统中加入了死区非线性，有效的改变了原非线性系统的极限环。其系统结构框图如图1所示，其中θ_i为输入位置电压信号，θ_f为系统位置反馈电压信号，e为系统偏差电压信号，u_l为线性控制输出电压信号，u_d为死区控制输出电压信号，u_PWM为PWM电路的脉宽调制电路，θ_m为伺服电机输出角度，θ_o传动机构输出的位置量。在控制系统的线性控制环节后级联了死区非线性环节。系统信号流程如下，由输入位置信号θ_i和系统位置反馈电压信号θ_f，经过有运算放大器构成的合成电路产生偏差电压信号e，偏差电压信号e经线性控制电路1产生线性控制输出电压信号u_l，再由电压信号u_l经死区电路2后，产生死区控制电压信号u_d经过PWM电路3调制成脉宽信号u_PWM加在伺服电机4两端，使电机产生伺服电机输出角θ_m，由电机带动传动机构和负载5，使负载输出位置量θ_o，经过位置电位计6将负载的位置量θ_o变换成位置反馈电压信号θ_f。死区环节的特性曲线如图2所示，其中u_l表示死区电路的输入电压信号，u_d表示死区电路的输出电压信号，Δ为死区宽度。其输入输出关系是：当输入电压|u_l|≤Δ时，输出电压u_d＝0，当输入电压|u_l|≥Δ时，输出电压u_d＝u_l。死区电路如图3所示，由两个参数相同的稳压二极管Z₁和Z₂对称串联构成。其中一端作为输入U_di，一端作为输出U_do。

有益效果如下：

1、可以有效地抑制传动机构中间隙带来的自振；

2、可以提高系统的相应带宽；

3、可以减弱系统在过渡过程中的振荡性，提高了系统的稳定性；

4、同时设计科学，制作简单，成本低廉，便于推广。

附图说明

图1位置控制系统结构框图，其中线性控制电路1、死区电路2、PWM电路3、、伺服电4、传动机构及负载5、位置电位计6；

图2死区特性曲线；

图3死区电路图；

图4实施例结构图；其中PID控制电路1、死区电路2、SG1731PWM调制模块7、LM18245PWM功率放大模块8、伺服电机4、传动机构及负载5、位置电位计6，SG1731PWM调制模块7和LM18245PWM功率放大模块8构成了PWM电路3；

图5PID控制电路图；

具体实施方式

该稳定控制系统如图4所示，采用线性控制电路1、死区电路2、PWM电路3包括SG1731PWM调制模块7和LM18245PWM功率驱动模块8、伺服电机4、齿轮传动机构5以及位置电位计6构成。传动机构是由多级齿轮构成的减速机构，电机轴直接与主动齿轮轴刚性连接，从动齿轮与转台刚性连接，经过多级齿轮减速，减速比为1384：1。转台的角度值是通过安装与转台上的位置电位计6测得的。本发明包括PID控制电路1、SG1731 PWM调制模块LM18245 PWM功率驱动模块组成PWM电路3、伺服电机(4)、上述齿轮传动机构5以及位置侧角电位计7。同时设计采用了PID控制电路如图5所示由LM324集成放大器及电阻、电容构成的二阶PID控制电路。死区电路的设计是根据该传动机构的间隙特性，通过实验测得传动机构在极限环中的固有频率值，由于上述的系统容许间隙正比于死区的关系，经试验计算出系统中加入的最小死区。并根据电机特性得出加入的稳压二极管的稳压值为2.6V，选取相应参数的稳压二极管1N5221，构成死区电路，如图4所示。死区电路由两个参数相同的稳压二极管串联构成，其中，Z₁和Z₂参数为1.9V稳压二极管。输入端电压u_l与前级的线性控制电路1的输出相连，输出端u_d与后级的PWM电路3相连。当输入的电压信号u_l的绝对值小于2.6V时，则输出电压信号u_d为零；当输入的电压信号u_l的绝对值大于2.6V时，则输出电压信号u_d等于输入的电压信号u_l。实施例信号流程如下，给定转角位置电压信号θ_i与位置电位计反馈电压信号θ_f之差e为PID控制电路的输入信号，将PID控制电路的输出u_l经死区电路输出u_d，再经过SG1731PWM调制模块及LM18245 PWM功率放大模块将其输出的调宽波加在伺服电机两端，经齿轮传动机构减速使转台输出实际转角值θ_o。

Claims (2)

1.具有间隙特性传动机构的控制系统，该控制系统包括线性控制电路(1)，死区电路(2)，PWM电路(3)，伺服电机(4)，传动机构及负载(5)及位置电位计(6)；其特征是为了有效的改变原非线性系统的极限环，在设计带有间隙非线性的系统中采用减小齿轮间隙和控制死区宽度并举的措施，在控制系统的线性控制电路(1)后级联了死区电路(2)，系统的连接关系和信号流程是：由输入角度信号θ_i和系统位置反馈电压信号θ_f，经过合成电路产生偏差电压信号e，偏差电压信号e经线性控制电路(1)产生线性控制输出电压信号u_l，再由电压信号u_l经死区电路(2)，产生死区控制电压信号u_d，通过PWM电路(3)调制成脉宽电压加在伺服电机(4)的两端，使伺服电机产生输出角θ_m，由电机带动传动机构及负载(5)，使负载产生位置输出量θ_o，经过位置电位计(6)输出系统位置反馈电压信号θ_f。

2.按照权利要求1所述的具有间隙特性传动机构的控制系统，其特征在于由两个参数相同且对称的稳压二极管串联构成对称死区电路(2)，输入端U_di与前级的线性控制电路(1)的输出相连，输出端U_do与后级的PWM电路(3)相连。

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