CN112821827A - 一种cmg框架系统谐波减速器扰动抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，可以实现谐波安装误差扰动和低频的机械谐振的有效抑制。本发明采用双旋变测角控制策略抑制谐波减速器安装误差扰动，采用双环非奇异滑模变结构控制策略抑制电机低频机械谐振频率，有效抑制谐波安装误差扰动和低频的机械谐振的问题，提高间接驱动结构控制性能。

Description

一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统

技术领域

本发明涉及一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，可以实现谐波安装误差扰动和低频的机械谐振的有效抑制。

背景技术

直接驱动结构采用永磁同步电机直接驱动，优点是控制精度高，缺点是框架电机需要直接承受耦合力矩，电机功耗大、重量大，一般用于中小型CMG；间接驱动结构无刷直流电机加减速器传动，优点是通过减速环节减小了耦合力矩，可降低电机输出力矩和驱动功耗，缺点是控制精度低。当控制力矩陀螺要兼顾实现高精度控制、大力矩输出和低功耗，传统的单一的直驱结构和间接驱动难以满足高精度控制力矩陀螺的需求，需要采用新型的框架驱动组件形式。

为提高间接驱动结构控制性能，采用永磁同步电机+测角传感器+谐波减速器+测角传感器的结构形式。采用永磁同步电机减小电机输出力矩波动，在谐波减速器前后安装测角传感器。

谐波减速器具有传动比大、精度高、体积小、重量轻等优点，但由于其结构的特点，存在柔性、非线性摩擦、低阻尼等缺点，分析CMG框架输出轴角速度的频率，发现系统中主要存在两种类型的干扰频率。

一类干扰是谐波安装误差扰动。体现为谐波减速器输入轴电机侧角速度的2，4，6，8倍频，其主要由于运动误差造成，一是刚轮和柔轮副的误差引起的，另一是波发生器的误差引起的，目前专门针对谐波倍频抑制处理方式很少，而采用双测角传感器方式相关技术未明确各个传感器的使用方式，也不是用于倍频抑制。

另一类是低频的机械谐振频率，尤其是谐波减速器在负载力矩比较小的情况下其扭转刚度也较小，谐振频率相应也较小，谐波减速器扭转刚度的非线性滞回特性又引起谐振频率的非线性变化。框架系统机械谐振频率f_n与转动惯量及扭转刚度K_l有关系，

针对低频的机械谐振频率，有部分文献采用H∞控制器和扩张状态观测器来抑制控制力矩陀螺框架中谐振频率，但是该方法不利于数字实现

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，有效抑制谐波安装误差扰动和低频的机械谐振的问题，提高间接驱动结构控制性能。

本发明的技术解决方案是：一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：采用双旋变测角控制策略抑制谐波减速器安装误差扰动，采用双环非奇异滑模变结构控制策略抑制电机低频机械谐振频率。

进一步地，包括外侧旋变控制器、电机侧控制器、PWM发生器、逆变器、电机框架、坐标变换模块和位置解调模块。

进一步地，所述外侧旋变控制器接收框架角度设定值和框架外侧角度值的差值，进行控制后输出电机侧角速度参考值至电机侧控制器。

进一步地，所述外侧旋变控制器包括位置环控制器和速度环控制器；所述位置环控制器利用框架角度设定值和框架外侧角度值的差值采用PD控制方法实现位置环控制，并输出框架外侧角速度参考值至速度环控制器，所述速度环控制器利用框架外侧角速度参考值和框架外侧角速度值采用P控制方法实现角速度控制，并输出电机侧角速度参考值至电机侧控制器。

进一步地，所述电机侧控制器接收电机侧角速度参考值、励磁电流参考值、电机测角速度反馈值、电机侧角度值、励磁电流反馈值和力矩电流反馈值，进行滑模控制后输出励磁电压信号和力矩电压信号，励磁电压信号和力矩电压信号依次经过PWM发生器和逆变器，驱动电机框架转动；所述励磁电压信号和力矩电压信号分别为d轴定子电压分量和q轴定子电压分量。

进一步地，所述坐标变换模块采集电机框架的三相电流信号，进行坐标变换后输出励磁电流反馈值和力矩电流反馈值至电机侧控制器。

进一步地，所述位置解调模块采集框架外侧旋转变压器信号和电机侧旋转变压器信号，经过解调后分别将电机侧角度值、电机侧角速度值、框架外侧角度值和框架外侧角速度值输出至电机侧控制器和外侧旋变控制器。

进一步地，所述双旋变测角控制策略为减速器内外测各设有一个旋转变压器，内侧旋转变压器用于检测电机的角位置，外侧旋转变压器用于检测框架输出的角位置，分别生成框架外侧旋转变压器信号和电机侧旋转变压器信号。

进一步地，所述电机侧控制器包括外环控制器和内环电流控制器；

外环控制器的控制律为：

定义非奇异终端滑模面为：

其中：

为虚拟控制量对应励磁电流参考信号，ω_内为电机侧机械角速度，x₁、x₂为定义的滑模状态变量，

为电机侧角速度参考值，

为电机侧机械角加速度，J为电机侧负载转动惯量，D、k、δ₀为控制参数常量，sign(·)为符号函数，λ>0为设计参数，q、p为正奇数，且q<p<2q。

进一步地，所述内环电流控制器的控制律为：

电流误差分别为：

其中，u_d、u_q为d轴、q轴定子电压分量，i_d、i_q为d轴、q轴定子电流分量，

为电流计算误差，i_d ^*、i_q ^*为d轴、q轴定子电流参考值；R为定子电阻，L为电机电感，L_d、L_q为电机直轴、交轴同步电感，ω_e为电机电角速度，ψ_rm为转子磁链，γ₁>0，δ₁>0，γ₂>0，δ₂>0，均为常数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种框架控制方法，采用双旋变测角方案，用来抑制谐波减速器的2，4，6，8转频，提高框架系统的控制精度。

(2)本发明提出了一种电机的控制方法，利用框架外侧旋变位置环和速度环+电机侧旋变双环非奇异滑模控制策略，抑制系统的机械谐振频率，提高框架系统的控制精度。

附图说明

图1CMG框架系统谐波减速器干扰抑制系统总体框图；

图2双环非奇异终端滑膜控制策略示意图；

图3、4、5分别为实施例中控制方式(1)(2)(3)的幅值/频率图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：利用框架外侧测角旋转变压器的角度信息实现角位置环和角速度环，利用电机侧测角旋转变压器的角度信息实现双环非奇异滑模速度环控制器。利用框架外侧旋变角度值/角速度值和框架给定角速度参考值实现位置环控制和速度环控制，位置环采用比例微分控制方式(PD方式)，速度环采用比例控制(P方式)；利用电机内侧旋变角度信息设置双环非奇异滑模速度环控制器，外侧旋变速度环控制器的输出作为电机侧旋变速度环控制器的输入，非奇异滑模控制器输出为电机dq轴定子电压分量参考值。

在本申请实施例所提供的方案中，包括外侧旋变控制器、电机侧控制器、PWM发生器、逆变器、电机框架、坐标变换模块和位置解调模块。所述外侧旋变控制器接收框架角度设定值和框架外侧角度值的差值，进行控制后输出电机侧角速度参考值至电机侧控制器。所述外侧旋变控制器包括位置环控制器和速度环控制器；所述位置环控制器利用框架角度设定值和框架外侧角度值的差值采用PD控制方法实现位置环控制，并输出框架外侧角速度参考值至速度环控制器，所述速度环控制器利用框架外侧角速度参考值和框架外侧角速度值采用P控制方法实现角速度控制，并输出电机侧角速度参考值至电机侧控制器。所述电机侧控制器接收电机侧角速度参考值、励磁电流参考值、电机测角速度反馈值、电机侧角度值、励磁电流反馈值和力矩电流反馈值，进行滑模控制后输出励磁电压信号和力矩电压信号，励磁电压信号和力矩电压信号依次经过PWM发生器和逆变器，驱动电机框架转动；所述励磁电压信号和力矩电压信号分别为d轴定子电压分量和q轴定子电压分量。

进一步，所述坐标变换模块采集电机框架的三相电流信号，进行坐标变换后输出励磁电流反馈值和力矩电流反馈值至电机侧控制器。

进一步，所述位置解调模块采集框架外侧旋转变压器信号和电机侧旋转变压器信号，经过解调后分别将电机侧角度值、电机侧角速度值、框架外侧角度值和框架外侧角速度值输出至电机侧控制器和外侧旋变控制器。

进一步，所述双旋变测角控制策略为减速器内外测各设有一个旋转变压器，内侧旋转变压器用于检测电机的角位置，外侧旋转变压器用于检测框架输出的角位置，分别生成框架外侧旋转变压器信号和电机侧旋转变压器信号。

双旋变结构是指用来抑制谐波安装误差扰动的结构形式，电机侧测角旋转变压器与框架轴外侧测角旋转变压器同时参与到闭环控制中。电机侧旋变对应永磁同步电机的机械位置，命名为电机侧旋变，旋变解调后为16位粗极解调数据，用于电机换相和电机侧控制器的位置角度/角速度输入；输出端旋变对应框架输出轴的机械位置,命名为框架外侧旋变，旋变解调后为21位粗精耦合数据，用于框架侧控制器的位置角度和角速度的输入。

进一步，双环非奇异滑模变结构控制器是指用来抑制系统的低频机械谐振频率的控制策略，电机侧控制器中双环非奇异终端滑模控制策略，包括外环控制器和内环电流控制器。

进一步，如图2，在一种可能的实现方式中，双环非奇异滑模变结构控制器包括外环控制器和内环电流控制器。

进一步，在一种可能的实现方式中，外环控制器为：

定义非奇异终端滑模面为：

其中：λ>0为设计参数，q、p为正奇数，且q<p<2q。

外环控制器设计为，

其中：

为虚拟控制量对应励磁电流参考信号，ω_内为电机侧机械角速度，x₁、x₂为定义的滑模状态变量，

为电机侧角速度参考值，

为电机侧机械角加速度，J为电机侧负载转动惯量，D、k、δ₀为控制参数常量，sign(·)为符号函数，λ>0为设计参数，q、p为正奇数，且q<p<2q。

进一步，在一种可能的实现方式中，内环电流控制器：

电流误差分别为：

内环电流控制器设计为，

其中，u_d、u_q为d轴、q轴定子电压分量，i_d、i_q为d轴、q轴定子电流分量，

为电流计算误差，i_d ^*、i_q ^*为d轴、q轴定子电流参考值；R为定子电阻，L为电机电感，L_d、L_q为电机直轴、交轴同步电感，ω_e为电机电角速度，ψ_rm为转子磁链，γ₁>0，δ₁>0，γ₂>0，δ₂>0，均为常数。

本发明的工作原理为：采用双旋变测角的方式来解决谐波倍频抑制，经验证效果明显。谐波减速器传动误差可以表示为与输入角位置有关的函数：

式中θ_m为波发生器输入角位置，A_i(i＝1,2,3…)为每种频率下的传动误差幅值，

为每种频率下传动误差的初始相位。

实施例

下面结合实施例对本发明方法进行详细说明。

某间接驱动形式的控制力矩陀螺产品控制方案如下三种，其中方案3为本专利方式。

如图3，控制方式(1)：单位置传感器+传统PID控制器方式：

仅利用框架外侧测角旋转变压器的角度信息实现角位置环和角速度环。框架外侧旋变角度值/角速度值和框架给定角速度参考值实现位置环控制和速度环控制，位置环采用比例微分控制方式(PD方式)，速度环采用比例控制(P方式)，输出为电机q轴电流参考值；电机内侧为电流控制器，输入为dq轴电流参考值和反馈值，采用比例积分控制(PI方式)，控制器输出为电机dq轴定子电压分量参考值。下图为该控制方式下，角速度为1°/s时的频谱分析曲线，其中角速度的稳定度为0.171°/s，主要影响稳定度的频率为电机侧角速度的倍频，其中6倍频分量最大为0.0582。

如图4，控制方式(2)：双位置传感器+传统PID控制器方式：

同时使用框架外侧测角旋转变压器的角度信息和电机侧测角旋转变压器的角度信息。利用框架外侧测角旋转变压器的角度信息实现角位置环和角速度环，利用电机侧测角旋转变压器的角度信息实现速度环电流环控制器。利用框架外侧旋变角度值/角速度值和框架给定角速度参考值实现位置环控制和速度环控制，位置环采用比例微分控制方式(PD方式)，速度环采用比例控制(P方式)；利用电机内侧旋变角度信息设置速度环控制器，外侧旋变速度环控制器的输出作为电机侧旋变速度环控制器的输入，该速度环采用比例积分控制(PI方式)，电机侧旋变速度环控制器的输出为电流环控制器的参考值输入，电流环控制器采用比例积分控制(PI方式)，控制器输出为电机dq轴定子电压分量参考值。下图为该控制方式下，角速度为1°/s时的频谱分析曲线，其中角速度的稳定度为0.0616°/s，采用双传感器后，影响稳定度的主要频率变为机械谐振频率，在20Hz左右，电机侧角速度的2，4，6，8倍频分量大大减小，其中6倍频分量减小到0.0178。

如图5，控制方式(3)：本专利控制方式采用，双位置传感器+双环非奇异滑模变结构控制方式：

下图为该控制方式下，角速度为1°/s时的频谱分析曲线，其中角速度的稳定度为0.0461°/s，采用本专利的控制方式后，影响稳定度的机械谐振频率和角速度的倍频分量均大大降低，在其中电机侧角速度6倍频分量减小到0.00083，机械谐振频率也大大降低。

对比三种控制方式，经干扰抑制后，角速度的稳定度本专利提出的方案3要远远优于方案2和方案1.

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：采用双旋变测角控制策略抑制谐波减速器安装误差扰动，采用双环非奇异滑模变结构控制策略抑制电机低频机械谐振频率。

2.根据权利要求1所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：包括外侧旋变控制器、电机侧控制器、PWM发生器、逆变器、电机框架、坐标变换模块和位置解调模块。

3.根据权利要求2所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述外侧旋变控制器接收框架角度设定值和框架外侧角度值的差值，进行控制后输出电机侧角速度参考值至电机侧控制器。

4.根据权利要求3所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述外侧旋变控制器包括位置环控制器和速度环控制器；所述位置环控制器利用框架角度设定值和框架外侧角度值的差值采用PD控制方法实现位置环控制，并输出框架外侧角速度参考值至速度环控制器，所述速度环控制器利用框架外侧角速度参考值和框架外侧角速度值采用P控制方法实现角速度控制，并输出电机侧角速度参考值至电机侧控制器。

5.根据权利要求2所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述电机侧控制器接收电机侧角速度参考值、励磁电流参考值、电机测角速度反馈值、电机侧角度值、励磁电流反馈值和力矩电流反馈值，进行滑模控制后输出励磁电压信号和力矩电压信号，励磁电压信号和力矩电压信号依次经过PWM发生器和逆变器，驱动电机框架转动；所述励磁电压信号和力矩电压信号分别为d轴定子电压分量和q轴定子电压分量。

6.根据权利要求2所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述坐标变换模块采集电机框架的三相电流信号，进行坐标变换后输出励磁电流反馈值和力矩电流反馈值至电机侧控制器。

7.根据权利要求2所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述位置解调模块采集框架外侧旋转变压器信号和电机侧旋转变压器信号，经过解调后分别将电机侧角度值、电机侧角速度值、框架外侧角度值和框架外侧角速度值输出至电机侧控制器和外侧旋变控制器。

8.根据权利要求1所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述双旋变测角控制策略为减速器内外测各设有一个旋转变压器，内侧旋转变压器用于检测电机的角位置，外侧旋转变压器用于检测框架输出的角位置，分别生成框架外侧旋转变压器信号和电机侧旋转变压器信号。

9.根据权利要求8所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述电机侧控制器包括外环控制器和内环电流控制器；

外环控制器的控制律为：

定义非奇异终端滑模面为：

其中：

为虚拟控制量对应励磁电流参考信号，ω_内为电机侧机械角速度，x₁、x₂为定义的滑模状态变量，

为电机侧角速度参考值，

为电机侧机械角加速度，J为电机侧负载转动惯量，D、k、δ₀为控制参数常量，sign(·)为符号函数，λ>0为设计参数，q、p为正奇数，且q<p<2q。

10.根据权利要求8所述的一种CMG框架系统谐波减速器扰动抑制系统，其特征在于：所述内环电流控制器的控制律为：

电流误差分别为：

其中，u_d、u_q为d轴、q轴定子电压分量，i_d、i_q为d轴、q轴定子电流分量，

为电流计算误差，i_d ^*、i_q ^*为d轴、q轴定子电流参考值；R为定子电阻，L为电机电感，L_d、L_q为电机直轴、交轴同步电感，ω_e为电机电角速度，ψ_rm为转子磁链，γ₁>0，δ₁>0，γ₂>0，δ₂>0，均为常数。

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