CN102820839A - 一种齿隙传动中电机伺服系统精确定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿隙传动中的电机精确定位的方法，所述伺服系统包括电机、第一旋转变压器、第二旋转变压器、具有齿隙的齿轮传动系统和控制器，其中所述控制器采用位置环、速度环和电流环三闭环控制。通过采用新的控制方法来提高电机的定位能力和定位精度，有效的解决了传统齿轮传动控制方法中的缺陷。

Description

一种齿隙传动中电机伺服系统精确定位的方法

技术领域

本发明涉及一种带齿隙传动的伺服系统中电机精确定位方法，该方法简单，定位精度高

背景技术

在机械传动控制中，齿轮传动由于其传动精度高，速度响应快，其应用面广，在机械传动控制中占主导地位。但是齿轮传动中存在着许多非线性因素，齿隙就是其中不可忽略的一个因素，它既是机械传递过程正常进行不可缺少的一种非线性，同时也是影响系统动态性能和稳态精度的重要因素。

齿轮啮合必须满足一定的齿隙最小间距才能保证不发生滞塞现象，而齿轮在加工中也存在一定的加工误差，随着使用时间的延长，齿轮磨损加大也会造成齿隙加大。齿隙的存在一方面对于存在可逆运转的传动装置造成了回差，引起具有滞环形式的非单值非线性。另一方面，系统也会因极限环振荡或冲击而降低性能甚至变得不稳定，并且齿轮刚性的碰撞将会产生严重的振荡和噪音。因此，研究齿隙所带来的非线性影响以及如何消除齿隙所带来的影响，对于提高传动精度具有重大的研究价值。

随着控制要求不断提高和齿隙非线性研究逐步深入，齿隙模型不断完善，如齿隙的迟滞模型、死区模型、“振-冲”模型等，这些模型描述齿隙各有优缺点。针对这些模型，不少学者也从控制理论的角度提出了许多控制算法，这些算法多采取补偿控制的方法，主要包括逆模型补偿、直接补偿、切换补偿等。这些方法有的需要依赖于一定的齿隙模型，有的控制策略太复杂，使得控制不易实现。此外，工程中还采用一定的工程技术手段达到消除齿隙的目的，常采用的是机械消除和多电机同步联动消除齿隙的方法。但是机械消除的方法需要设计各种消隙结构和传动结构，对这些机构的制造精度要求比较高，同时也增加了系统的复杂程度，可靠性也不高。多电机联动消隙的方法是在主轴启动过程中，两组电机提供大小相等，方向相反的力矩，形成一对偏置力矩，使两组小齿轮分别贴紧主轴齿轮的两个相反的啮合面，导致大齿轮不能在齿轮的间隙内摆动。这种方式一定程度上消除了齿隙带来的影响，但是需要增加一组驱动装置，系统复杂程度增加，同时带来驱动子系统之间同步协调等新问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种带齿隙传动的伺服系统中电机精确定位方法，以解决现有技术的问题。

一种带齿隙传动的伺服系统中电机定位方法，所述伺服系统包括电机、第一旋转变压器、第二旋转变压器、具有齿隙的齿轮传动系统和控制器，其中所述控制器采用位置环、速度环和电流环三闭环控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

利用所述第一旋转变压器测量所述传动系统输出端的位置信息，利用所述第二旋转变压器测量所述电机的转子位置，

利用所述电机的转子位置计算出电机的速度信息作为速度反馈，形成电机的速度环控制，

根据所述电机的定位要求的控制精度和所述齿隙设置位置环的期望值，利用所述传动系统输出端的位置信息经反馈后通过所述控制器的位置环调节，将所述位置环的输出值作为速度环的期望值，

所述速度环的期望值与电机速度反馈值比较后，经速度环调节，将所述速度环的输出值作为电流环的期望值，最后经电流环调节，完成三闭环控制。

优选地，当所述电机的定位要求的控制精度大于所述传动系统的齿隙时，将位置期望值输入速度环，然后通过三闭环控制系统控制电机运转，让电机运行到期望位置；

当电机要求的控制精度小于所述传动系统的齿隙时，首先计算位置期望值与所述第一旋转变压器输出的位置信息之间的误差，随后将其与所述控制精度进行比较，当所述误差在所述控制精度范围内时，将位置环的输出值置为零，即速度环的期望值设为零。

一种带有伺服系统的机器人关节，其特征在于，所述伺服系统包括电机、第一旋转变压器、第二旋转变压器、具有齿隙的传动系统和控制器，其中所述控制器采用位置环、速度环和电流环三闭环控制；

所述第一旋转变压器用于测量所述关节的位置信息，所述第二旋转变压器用于测量所述电机的转子位置，

所述电机的转子位置用于计算电机的速度信息作为速度反馈，形成电机的速度环控制，

所述控制器根据所述电机的定位要求的控制精度和所述齿隙设置位置环的期望值，所述关节的位置信息经反馈后通过所述控制器的位置环调节，所述位置环的输出值作为速度环的期望值，

所述速度环的期望值与电机速度反馈值比较后，经速度环调节，将所述速度环的输出值作为电流环的期望值，最后经电流环调节，完成三闭环控制。

优选地，当所述电机的定位要求的控制精度大于所述传动系统的齿隙时，将位置期望值输入速度环，然后通过三闭环控制系统控制电机运转，让电机运行到期望位置；

当电机要求的控制精度小于所述传动系统的齿隙时，首先计算位置期望值与所述第一旋转变压器输出的位置信息之间的误差，随后将其与所述控制精度进行比较，当所述误差在所述控制精度范围内时，将位置环的输出值置为零，即速度环的期望值设为零。

本发明采用新的控制方法来提高电机的定位能力和定位精度，有效的解决了传统齿轮传动控制方法中的缺陷，这种控制方法对整个伺服系统具有以下有益效果：

1、本发明方法简单，无需复杂的机械结构；

2、电机定位保持能力好，定位精度高。

3、齿轮传动平稳，位置保持时，无碰撞和噪声。

附图说明

图1是系统整体结构框图；

图2是齿隙传动结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，伺服系统由电机、旋转变压器1、旋转变压器2、关节和控制器组成，控制器采用位置环、速度环和电流环三闭环控制。旋转变压器1用于测量关节的位置信息，旋转变压器2用于测量电机的位置信息，利用位置信息计算出电机的速度信息作为速度反馈，形成电机的速度环控制。关节的位置信息经反馈后通过控制器的位置环调节，输出作为速度环的期望值，此值与电机速度反馈值比较后，经速度环调节后，输出值作为电流环的期望值，最后经电流环调节，输出控制三相桥，完成三闭环控制。

在齿轮传动系统中，当要使电机定位于某一位置时，传统的做法是：将位置期望值输入给控制系统，然后通过三闭环控制系统控制电机运转，让电机运行到期望位置。在控制器的不断调节控制下，电机最终会定位于期望位置。但是实验证明这种方法并不稳定，由于齿轮传动齿隙α的存在，电机并不能可靠的停留在期望位置。当控制器的强度比较大时，电机在接受到位置期望值后，在控制器的调控下快速向期望位置运转。但是在惯性作用下，电机到达期望位置后不会立即停住不动，而是会在一定的误差范围内来回的转动，这就造成了一定的误差，控制器仍会不断的调节，使得电机不能平稳的定位于这一位置固定不动，因此，电机运行不平稳，保持能力比较差，而且会带来较大的噪声。如图2所示，由于齿轮传动机构之间有齿隙，电机定位时的这种不稳定性最终会造成相互啮合的两齿轮之间不断的碰撞，不但造成了很大的噪声，而且加剧了齿轮之间的摩擦，对于齿轮的寿命、系统的稳定性都造成了严重的影响。

本发明采用的方法是：当电机的控制精度要求较高时，即ε＜α，首先关节的位置信息由旋转变压器1检测，反馈信号为θ_f，输入期望信号为θ_r，二者比较得到位置环误差为EP_i＝θ_r-θ_f，位置环采用的控制器为PI控制器：

$P\_\mathrm{out}=K_p\_P*{\mathrm{EP}}_i+K_i\_P*\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{EP}}_j---\left(1\right)$

式中，K_p_P为位置环的比例系数，K_i_P为位置环的积分系数，EP_i为位置环误差。P_out作为位置环的输出，同时也是速度环的期望值。

速度环的误差信号由旋转变压器2检测到的电机转速反馈信号S_FB与位置环的输出P_out比较得到，即ES_i＝P_out-S_FB。速度环同样采用PI控制器：

$S\_\mathrm{out}=K_p\_S*{\mathrm{ES}}_i+K_i\_S*\underset{j=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ES}}_j---\left(2\right)$

式中，K_p_S为速度环的比例系数，K_i_S为速度环的积分系数，ES_i为速度环误差。

当需要将关节定位于某一位置时，首先将位置期望值给定控制器，之后控制器会控制电机运动到期望位置，同时控制器会不断的检测位置误差EP_i，当检测到-ε≤EP_i≤ε(ε为定位精度)时，令P_out＝0，即令电机的速度期望值为零，这样电机的速度为零，关节的位置就可以保持不变，稳定于期望位置。但是如果当检测到位置误差达到控制要求时，而将位置误差EP_i置为零，这时由(1)式可知，比例项为零，积分项不为零，即位置环的输出不为零，那么电机的转速就不会为零，电机仍会转动，达不到预期目的，因此只能采用前者的方法。

基于上述设计原理，采用MAXON电机进行实际实验，实验条件：定位精度是ε＝0.002°，齿隙α＝0.005°。实验中电机运行平稳，定位精确，噪声小，保持能力好。通过实验得到表1所示的实验数据。利用统计学知识，求出其统计精度为±(0.0018°+0.0013°+|-0.0002°|+...+|-0.0010°|)/20＝±0.0013°。可见，利用此方法对于传统齿隙传动中定位不平稳的缺陷具有极大的改善作用，方法简单有效，定位精度较高。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带齿隙传动的伺服系统中电机定位方法，所述伺服系统包括电机、第一旋转变压器、第二旋转变压器、具有齿隙的齿轮传动系统和控制器，其中所述控制器采用位置环、速度环和电流环三闭环控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

利用所述第一旋转变压器测量所述传动系统输出端的位置信息，利用所述第二旋转变压器测量所述电机的转子位置，

利用所述电机的转子位置计算出电机的速度信息作为速度反馈，形成电机的速度环控制，

根据所述电机的定位要求的控制精度和所述齿隙设置位置环的期望值，利用所述传动系统输出端的位置信息经反馈后通过所述控制器的位置环调节，将所述位置环的输出值作为速度环的期望值，

所述速度环的期望值与电机速度反馈值比较后，经速度环调节，将所述速度环的输出值作为电流环的期望值，最后经电流环调节，完成三闭环控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电机的定位要求的控制精度大于所述传动系统的齿隙时，将位置期望值输入速度环，然后通过三闭环控制系统控制电机运转，让电机运行到期望位置；

当电机要求的控制精度小于所述传动系统的齿隙时，首先计算位置期望值与所述第一旋转变压器输出的位置信息之间的误差，随后将其与所述控制精度进行比较，当所述误差在所述控制精度范围内时，将位置环的输出值置为零，即速度环的期望值设为零。

3.一种带有伺服系统的机器人关节，其特征在于，所述伺服系统包括电机、第一旋转变压器、第二旋转变压器、具有齿隙的传动系统和控制器，其中所述控制器采用位置环、速度环和电流环三闭环控制；

所述第一旋转变压器用于测量所述关节的位置信息，所述第二旋转变压器用于测量所述电机的转子位置，

所述电机的转子位置用于计算电机的速度信息作为速度反馈，形成电机的速度环控制，

所述控制器根据所述电机的定位要求的控制精度和所述齿隙设置位置环的期望值，所述关节的位置信息经反馈后通过所述控制器的位置环调节，所述位置环的输出值作为速度环的期望值，

所述速度环的期望值与电机速度反馈值比较后，经速度环调节，将所述速度环的输出值作为电流环的期望值，最后经电流环调节，完成三闭环控制。

4.根据权利要求3所述的机器人关节，其特征在于，当所述电机的定位要求的控制精度大于所述传动系统的齿隙时，将位置期望值输入速度环，然后通过三闭环控制系统控制电机运转，让电机运行到期望位置；

当电机要求的控制精度小于所述传动系统的齿隙时，首先计算位置期望值与所述第一旋转变压器输出的位置信息之间的误差，随后将其与所述控制精度进行比较，当所述误差在所述控制精度范围内时，将位置环的输出值置为零，即速度环的期望值设为零。

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