CN104808699B - 一种基于齿轮机构的伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于齿轮机构的伺服控制方法，所述伺服控制方法用于对旋转平台进行伺服控制，所述旋转平台上包括固定部分和旋转部分，旋转平台通过齿轮传动机构驱动旋转部分相对于固定部分旋转。本发明的伺服控制方法基于控制命令以及测量的旋转部分的旋转角度和旋转角速度来控制旋转部分相对于固定部分的旋转。基于齿轮传动的伺服系统具有力矩大、自锁等优点，特别适用于大型旋转平台。但齿轮传动机构由于转向时负载不连续和存在空回的原因，伺服控制的控制稳定性较差。本发明的控制方法可以消除或减弱电机转向的机械空回对积分环节的不良影响；消除或减弱转向时机构瞬时停止状态时，摩擦力变化造成负载力矩变化对伺服稳定性产生的不利影响。

Description

一种基于齿轮机构的伺服控制方法

技术领域

本发明专利涉及一种基于齿轮机构的伺服控制方法，具体而言，本发明涉及用于控制基于齿轮传动机构的旋转平台的伺服控制方法。

背景技术

齿轮传动机构因为具有较大惯量和自锁能力，比较适用于大型旋转平台。但是，齿轮传动机构的伺服系统由于机械空回和动、静态摩擦力转换导致的负载力矩的不连续，对伺服控制的稳定性和连贯性产生冲击。使得伺服控制的稳定性相对于力矩电机驱动的伺服系统差。

伺服单元是运动控制设备的重要组成部分，是运动控制设备的驱动和执行部件。伺服单元主要由方位电机、高低电机以及两个伺服驱动器组成，由综合控制板进行控制。

在对旋转平台进行控制时，往往通过安装在执行部件轴上的光电编码器或光纤陀螺仪检测出旋转部分的速度和角速度，通过伺服驱动器进行速度闭环调节，再经驱动器功率放大后驱动方位电机和高低电机转动，实现旋转平台稳定的旋转。

齿轮啮合必需采用间隙配合形式，才能保证传动的灵活性、减少阻力，避免因为温度变化或结构件变形膨胀，导致机械卡死。齿轮的配合间隙对于伺服控制系统的稳定性来讲，是一个重要的不利因素。传动转向的时候，执行部件有一小段时间的运动被结构空回所吸收。

现有技术中，往往通过PID控制方法来对齿轮传动机构进行反馈闭环控制。而采用PID控制方法的控制器在设备转向时存在严重的问题。具体而言，当操作人员手动或自动进行设备转向时，控制器在这一小段时间内，不能检测到误差量缩小的趋势。控制模型就会自动加大控制力度，以便尽快消除控制误差。这样就会导致执行机构反复超调，形成震荡控制。

具体而言，采用交流伺服电机驱动齿轮传动伺服机构，存在空回和阻力不连续的情形。导致伺服控制的低速特性差，不能稳定停止在指定位置。一般会在目标指示区域附近低速摆动。幅度受配重情况和装配空回程度的双重影响。针对本项目在现有工艺条件下装配的设备进行实测，震荡幅度约0.02°～0.06°，摆动周期长约3～5S。

由于电机换向时齿轮摩擦由动摩擦变为静摩擦力，阻力变化影响到伺服执行机构的负载变化，使得转向运动卡滞、缺乏连续性，PID调节的积分环节在转向阶段累积了一小段时间多余的积分量。当积分量达到驱动电机脱离静摩擦时，实际电机角速度给定值已经大于所需的输出给定。导致电机不能在指定位置停下，而是冲过指定位置一定范围后，停在下一个转向位置。并开始下一个周期的摆动，循环往复，导致齿轮传动的伺服机构持续小幅晃动，较难稳定。

由于电机驱动器的角速度变化快速且缺乏规律，无法简单将多余的积分量剔出。为了提高控制的稳定性，需要采用其它的算法改进来弥补控制缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明希望提供一种用于基于齿轮传动机构的旋转平台的伺服控制方法。为了减少控制误差和超调，本发明主要采用了下述两种方式来对伺服控制进行调整。

具体而言，本发明提供了一种基于齿轮机构的伺服控制方法，所述伺服控制方法用于对基于齿轮的旋转平台进行伺服控制，所述旋转平台上包括固定部分和旋转部分，所述旋转平台通过齿轮传动机构驱动所述旋转部分相对于所述固定部分旋转，在所述固定部分和所述旋转部分之间安装有角度测量装置和角速度测量装置，用于分别测量所述旋转部分相对于所述固定部分的旋转角度和旋转角速度，其特征在于，所述伺服控制方法包括基于控制命令以及所述角度测量装置和角速度测量装置测量的所述旋转部分相对于所述固定部分的旋转角度和旋转角速度来控制所述旋转部分相对于所述固定部分的旋转。

进一步地，所述伺服控制方法以预定时间长度为周期循环执行，所述方法包括：

步骤a)、测量所述旋转部分相对于所述固定部分或相对于基准坐标的当前旋转角度；

步骤b)确定所述旋转部分的当前目标角度(在任意一个时刻，都存在控制器希望将转台所调整到的角度)；

步骤c)计算所述旋转部分的当前旋转角度与当前目标角度之间的偏差量；

步骤d)将所述偏差量与偏差量阈值进行比较，以判断所述偏差量是否超过所述偏差量阈值；

步骤e)、如果所述偏差量超过所述偏差量阈值，则对所述旋转平台的齿轮传动机构的运动执行PID调节；

步骤f)、如果所述偏差量没有超过所述偏差量阈值，则基于当前周期的偏差量和上一周期的偏差量判断当前周期的偏差量相比于上一周期是否增大；

步骤g)、如果当前周期的偏差量相比于上一周期增大，则对所述旋转平台的齿轮传动机构的运动执行PID调节；

步骤h)、如果当前周期的偏差量相比于上一周期没有增大，则对所述旋转平台的齿轮机构执行比例微分调节。

进一步地，所述步骤a)包括：

步骤a1)、利用所述角速度测量装置测量所述旋转部分的第一瞬时角速度测量值；

步骤a2)、基于所述第一瞬时角速度测量值以及上一周期的角位置值计算所述旋

转部分的第一角位置值；

步骤a3)、基于若干所述第一瞬时角速度测量值计算第一瞬时角加速度值。

进一步地，所述步骤a)还包括：

a4)利用所述角度测量装置测量所述旋转平台的旋转部分的第二角度测量值；

a5)、基于若干个周期的第二角度测量值计算所述旋转平台的旋转部分的第二瞬时角速度；

a6)、基于若干个周期的第二瞬时角速度计算第二瞬时角加速度；

a7)、将所述第一瞬时角速度测量值和所述第一瞬时角加速度值与预定极限值以及上一周期的相应值分别进行比对，以判断从所述角速度测量装置所采集的数据是否有效；

a8)、将所述第二瞬时角速度和所述第二瞬时角加速度与预定极限值以及上一控制周期的相应值分别进行比对，以判断从所述角度测量装置所采集的数据是否有效；

a9)、如果从所述角速度测量装置所采集的数据以及从角度测量装置所采集的数据均无效，则基于上两个周期从所述角速度测量装置和角度测量装置测得的测量值采用线性外推算法预测当前所述旋转平台的当前角位置值；

a10)、如果从所述角度测量装置所采集的数据无效而从所述角速度测量装置所采集的数据有效，则基于所述角速度测量装置测得的第一角速度测量值以及上一周期的角位置值计算所述旋转平台的当前角位置值；

a11)、如果从所述角度测量装置所采集的数据有效而从所述角速度测量装置所采集的数据无效，则将所述角度测量装置测得的第二角度测量值作为所述旋转平台的当前角位置值；

a12)、如果从所述角度测量装置所采集的数据和从所述角速度测量装置所采集的数据均有效，则将第二角度测量值与从第一角速度测量值计算的所述旋转平台的角位置值进行等权融合，作为所述旋转平台的当前角位置值。

在步骤a7)中，不管是速度还是加速度都存在其阈值，一旦超过阈值则可能是数据本身有误。而且速度和加速度如果存在突变，也可能说明数据本身有问题。

进一步地，所述旋转平台包括操控系统，所述方法还包括基于从操控系统接收的指令来确定目标角度位置。

进一步地，所述预定时间长度为2ms。

优选地，本发明的旋转平台分别采用编码器和陀螺仪测量旋转平台相对于固定部分或地平面角度位置以及角速度。

优选地，在角位置或角速度测量时可以测量多组数据并进行平均。

这里所提到的PID调节是一种伺服控制中常用的调节方法，本发明不再详细描述。比例微分调节，则是在调解时去除了积分项的调节方式。

本发明提出的方法可以实现当误差幅度在门限内时且误差正在缩小条件下的积分分离伺服控制，从而使伺服系统能在小误差条件下持续稳定，而不会漂移振荡，使用比例调节(剔除积分环节)进行预减速控制，将电机正好在指定停止区域停止。停止后按照预定算法积分分离，如果偏差量无扩大迹象就不进行积分，电机停止运动，实现稳定的伺服控制方法。

当系统的位置指定(即根据操控系统等外部输入信息而推算的预期位置)发生变化时，实际位置与指定位置的差值(偏差量)就增加，当偏差量变大时，控制模型及时还原为PID控制，采用微分和积分环节快速驱动电机开始转动，从而达到了兼顾控制的稳定性和响应的迅速性。

本发明所提到的角位置值指的是：所述旋转平台固定部分和转动部分的相对角位置值。因为本发明执行伺服控制算法的直接输入量是角位置值和预期位置值差分得到的偏差量，与绝对位置无关。

本发明所提到的预定极限值指的是：由于所述旋转平台的转动部分的惯量较大，而驱动电机的功率有限，电机转动的最大角速度和最大角加速度，二者均为预先设计确定的。本发明所提到的偏差量阈值也是根据所驱动旋转平台的惯量等预先设定的。

此外，在本发明的控制方法实现时，通过详细的测试和兼顾控制器的运算能力。将控制周期从常用的20ms缩短到2ms，控制稳定度得到较大的提升。

本发明在旋转平台中采用位置编码器和光纤陀螺仪两种位置测量方式来进行位置测定的结合，同时检测偏差数据。两种数据源精度相当，但是传输途径和控制原理不同，可以作为互为备份、互为印证的冗余数据。经过数据融合算法作为旋转平台姿态信息数据源。

附图说明

图1示意性地示出了本发明一个实施例中的伺服控制方法的核心控制部分的流程图；

图2示出了本发明一个实施例中的伺服控制方法的原理示意图；

图3示出了本发明驱动旋转平台的电机工作过程示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施例的流程图。如图所示，在本实施例中，本发明的齿轮机构的伺服控制方法对旋转平台进行伺服控制。

旋转平台上安装有俯仰、方位电机(用于执行转动)。旋转平台上有固定部分和旋转部分，旋转部分通过正交的俯仰轴系和方位轴系与固定部分连接。通常情况，旋转部分能够在俯仰、方位电机驱动下相对于旋转平台的固定部分旋转，现有技术中存在多种类似旋转平台，这里不再详述)。角位置测量装置采用编码器，用于测量所述旋转平台的旋转角度，角速度测量装置采用陀螺仪，用于测量所述旋转部分相对于地平面或固定部分的俯仰和方位的角速度。

为了提升安全性，采用A237T型编码器和75型光纤陀螺仪同时检测指向数据。两种数据来源的精度相当，传输途径和控制方式不同，可以作为互为备份、互为参考的冗余数据。经过数据融合算法得到高度可信的旋转平台姿态信息参数。

在方法开始时，可以先从编码器开始也可以先从陀螺仪开始。比如，可以首先从所述编码器采集所述旋转平台的转动部分相对于固定部分的俯仰轴和方位轴相对零位的旋转角度数据(旋转角度数据采用二进制格雷码协议编码方式，满量程为360°)。该旋转角度数据本身就可以用于作为旋转平台的当前旋转位置的位置数据使用。但是为了保证数据的可靠性，本实施例中，采集俯仰和方位编码器角度数据并存储三个控制周期的角度数据，然后，基于所存储的转动部分相对于固定部分的旋转角度数据计算旋转平台的第一瞬时角速度测量值，并且基于所计算的旋转平台的第一瞬时角速度测量值计算旋转平台的第一角加速度测量值。这样就从编码器获得了旋转平台的俯仰轴系和方位轴系的角速度和角加速度值。这两个值用于与来自陀螺仪的数据进行比对校验，判断这两个值的置信度。

本发明的控制方法是循环执行的，以2ms为一个周期进行重复，因此，在上一周期时，也会获得相应的测量结果。

如果从所述编码器所采集的数据以及从所述陀螺仪所采集的数据均无效，则基于上两个周期从所述编码器和陀螺仪测得的测量值预测当前所述旋转平台的位置值，预测采用线性外推算法，这是基于2ms时间内所述光电平台的伺服执行机构的角加速度不大，不至于产生与线性外推算法较大偏离。

如果从所述编码器所采集的数据无效并且从所述陀螺仪所采集的数据有效，则将所述陀螺仪测得的数据作为所述旋转平台的位置值；

如果从所述编码器所采集的数据有效并且从所述陀螺仪所采集的数据无效，则将所述编码器测得的数据作为所述旋转平台的位置值；

如果从所述编码器所采集的数据和从所述陀螺仪所采集的数据均有效，则将所述编码器所测得的位置数据与所述陀螺仪所测得的位置数据进行等权融合，数据融合一般按照加权方式融合，权重分配的一般性原则按照数据精度和有效概率进行权重分配。对于所述旋转平台的编码器和陀螺仪数据分辨率精度和误码率相当，且经过计算数据角速度和角加速度突变性检查，数据的真实有效性得到了验证。对有效数据进行数据融合可以提高数据的信噪比约一倍，进一步降低可能潜在的误码对伺服系统产生冲击，改善控制稳定性。所述旋转平台转动部分的俯仰轴系和方位轴系相对于旋转平台固定部分的角位置值在编码器所采集的数据和陀螺仪所采集的数据均为有效的条件下，按照等权融合作为所述旋转平台的位置值。

需要说明的是，上面对于编码器和陀螺仪所测量数据的有效性的验证，不分先后，可以先对其中任何一个进行验证。

基于上面的判断，不管怎样都会获得用于对旋转平台进行进一步控制的位置数据。然后，基于获得的所述旋转平台的位置值与所述旋转平台的预期位置值进行差分，计算当前位置与预期位置的偏差量；判断所计算出的偏差量是否超过预定门限(预定门限与机械部件的加工精度和装配工艺有关，当机械部件的加工和装配较好时，伺服系统晃动量会较小，反之会较大。所以预定门限设计成一个现场可调的动态参数，一般约等于原始晃动量的一半时，可以确保伺服系统收敛，稳定停止在设定位置，实际调试中该门限一般设定为≤0.03°)，如果所述偏差量超过预定门限，则对所述旋转平台的齿轮机构执行PID调节；否则基于当前周期的偏差量和上一周期的偏差量判断当前周期的偏差量相比于上一周期是否增大；如果当前周期的偏差量相比于上一周期增大，则对所述旋转平台的齿轮机构执行PID调节；如果当前周期的偏差量相比于上一周期没有增大，则对所述旋转平台的齿轮机构执行PD调节，其中所述PD调节指的是比例微分调节。在这几种调节的基础上，就可以驱动所述旋转平台的齿轮机构。

这样，本发明就实现了旋转平台在预定门限内且运动方向要发生改变时的差异性调节，在旋转平台的运动进入预定门限，且偏差量进一步缩小时，伺服控制采用PD调节(所述P调节指的是电机速度给定按照比例参数乘以偏差量；D调节指的是电机速度按照偏差量的变化趋势提高驱动的预加速，提高系统的响应速度)，从而消除了PID调节中I调节(I调节是对偏差量积分的环节，用于闭环控制消除静差。)引入的部分时段的积分量，导致旋转平台的转动部分在预设区域附近小范围晃动。

伺服控制的带宽设计也直接影响到控制的稳定度和超调量。通常伺服控制闭环周期采用与光电单元的视频周期相同，这样对于目标自动跟踪算法实施和管理比较方便。如果采用短于光电单元目标检测的控制周期，就难以将自动跟踪算法的目标偏差量直接整合到控制模型中。通常光电单元的视频信号周期限制了伺服控制单元的带宽。本发明采用预测目标实际位置量的方法，每一个伺服闭环周期(2ms)外推计算一次目标偏差量。进行10次外推后由新目标偏差数据进行一次校正。采用偏差定位外推方法可以降低对目标侧偏的周期性的要求。实际控制带宽达到了500Hz，伺服控制的稳定性得到了进一步提升。

图2示出了伺服控制方法的原理示意图。如图所示，本发明的方法主要对位置调节环节进行了改进，其他部分均可以采用常规的控制方法，增加了门限判断和偏差量的变化趋势判断。基于这一逻辑，伺服控制方法还可以按照实际项目特征需要，进行其它的算法改进。

图3示出了本发明驱动旋转平台的电机工作过程示意图。该驱动过程分为方位驱动和俯仰驱动两方面，这些驱动的详细过程可以采用与现有技术相同或类似的方法，这里不再详述。

如无特殊说明，本发明上述各个步骤中的每一个技术执行步骤均为本领域的常规步骤，本发明的主要在于将上述步骤有机地结合在一起，实现了一种能够消除空回震荡的控制方式。

Claims (5)

1.一种基于齿轮机构的伺服控制方法，所述伺服控制方法用于对基于齿轮的旋转平台进行伺服控制，所述旋转平台上包括固定部分和旋转部分，所述旋转平台通过齿轮传动机构驱动所述旋转部分相对于所述固定部分旋转，在所述旋转平台上安装有角度测量装置和角速度测量装置，用于分别测量所述旋转部分相对于所述固定部分的旋转角度和旋转角速度，其特征在于，所述伺服控制方法包括基于控制命令以及所述角度测量装置和角速度测量装置测量的所述旋转部分相对于所述固定部分的旋转角度和旋转角速度来控制所述旋转部分相对于所述固定部分的旋转，

所述伺服控制方法以预定时间长度为周期循环执行，所述方法包括：

步骤a)、测量所述旋转部分相对于所述固定部分或相对于基准坐标的当前旋转角度；

步骤b)确定所述旋转部分的当前目标角度；

步骤c)计算所述旋转部分的当前旋转角度与当前目标角度之间的偏差量；

步骤d)将所述偏差量与偏差量阈值进行比较，以判断所述偏差量是否超过所述偏差量阈值；

步骤e)、如果所述偏差量超过所述偏差量阈值，则对所述旋转平台的齿轮传动机构的运动执行PID调节；

步骤f)、如果所述偏差量没有所述偏差量阈值，则基于当前周期的偏差量和上一周期的偏差量判断当前周期的偏差量相比于上一周期是否增大；

步骤g)、如果当前周期的偏差量相比于上一周期增大，则对所述旋转平台的齿轮传动机构的运动执行PID调节；

步骤h)、如果当前周期的偏差量相比于上一周期没有增大，则对所述旋转平台的齿轮机构执行比例微分调节。

2.根据权利要求1所述的基于齿轮机构的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤a)包括：

步骤a1)、利用所述角速度测量装置测量所述旋转平台的旋转部分的第一瞬时角速度测量值；

步骤a2)、基于所述第一瞬时角速度测量值以及上一周期的角度值计算所述旋转部分的第一角度值；

步骤a3)、基于若干所述第一瞬时角速度测量值计算第一瞬时角加速度值。

3.根据权利要求2所述的基于齿轮机构的伺服控制方法，其特征在于，所述步骤a)还包括：

a4)利用所述角度测量装置测量所述旋转部分的第二角度测量值；

a5)、基于若干个周期的第二角度测量值计算所述旋转部分的第二瞬时角速度；

a6)、基于若干个周期的第二瞬时角速度计算第二瞬时角加速度；

a7)、将所述第一瞬时角速度测量值和所述第一瞬时角加速度值与预定极限值以及上一周期的相应值分别进行比对，以判断从所述角速度测量装置所采集的数据是否有效；

a8)、将所述第二瞬时角速度和所述第二瞬时角加速度与预定极限值以及上一控制周期的相应值分别进行比对，以判断从所述角度测量装置所采集的数据是否有效；

a9)、如果从所述角速度测量装置所采集的数据以及从角度测量装置所采集的数据均无效，则基于上两个周期从所述角速度测量装置和角度测量装置测得的测量值采用线性外推算法预测所述旋转平台的当前角度值；

a10)、如果从所述角度测量装置所采集的数据无效而从所述角速度测量装置所采集的数据有效，则基于所述角速度测量装置测得的第一角速度测量值以及上一周期的角度值计算所述旋转平台的当前角度值；

a11)、如果从所述角度测量装置所采集的数据有效而从所述角速度测量装置所采集的数据无效，则将所述角度测量装置测得的第二角度测量值作为所述旋转平台的当前角度值；

a12)、如果从所述角度测量装置所采集的数据和从所述角速度测量装置所采集的数据均有效，则将第二角度测量值与从第一角速度测量值计算的所述旋转平台的角度值进行等权融合，作为所述旋转平台的当前角度值。

4.根据权利要求1所述的基于齿轮机构的伺服控制方法，其特征在于，所述旋转平台包括操控系统，所述方法还包括基于从操控系统接收的指令来确定目标角度位置。

5.根据权利要求1所述的基于齿轮机构的伺服控制方法，其特征在于，所述预定时间长度为2ms。