CN114488782B - 基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于转台控制方法及控制系统，为解决目前基于减速机构的转台控制系统中，半闭环控制系统响应速度和稳定性受限，输出位置精度也无法保障，全闭环控制系统不稳定，输出速度平稳性较差的技术问题，提供一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法及控制系统，用到两个位置反馈，分别借助于安装在电机轴上的第一位置传感器，以及安装在谐波减速器输出端的第二位置传感器，电机轴位置反馈响应快，谐波减速器输出端上的第二位置传感器能够直接测量谐波输出端的位置，降低了非线性因素对控制系统的影响，同时兼具两者的优点。

Description

基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法及控制系统
技术领域
本发明属于转台控制方法及控制系统，具体涉及一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法及控制系统。
背景技术
高分辨率成像已成为发展趋势，被广泛应用于各种领域。跟踪转台作为成像系统的搭载设备，其速度平稳性是高分辨率稳定成像的基础。特别是在航天领域，对峰值功耗、保持力矩、速度平稳性和位置跟踪精度均有较高要求，空间转动机构的先进程度和功能强弱，通常都直接与其控制系统的性能有关。
带谐波减速机构的控制系统之所以比纯刚性关节的控制复杂很多，主要有以下几方面原因：①因为动力学方程中的参数会随转动机构运动时的位移而改变，所以系统是一种时变的、强烈非线性的刚柔耦合系统；②系统呈现的非线性，理论上属于无穷维，系统的自由度大于通常控制变量的数目，因而病态特性会被呈现出来；③由于谐波减速器柔轮的挤压变形，使得系统呈现非最小相位特性，这对于非并置系统(传感器和驱动器处在不同位置)很容易造成失稳。因此，对于带有谐波减速机构的空间转动机构，针对其控制的研究，主要是针对高精度的位置控制研究和低速度下的平稳性研究。
现有研究中，基于减速机构的转台，根据反馈传感器安装位置的不同，可将其控制系统分为半闭环控制系统和全闭环控制系统。其中，反馈传感器安装在电机轴上，通过间接方式测量谐波端输出位置的方式，称为半闭环系统。目前，谐波减速机构的控制器大多都是基于电机位置反馈传感器信息进行设计的，半闭环控制系统的速度平稳性高，但是受非线性因素的影响较大，会使系统的轨迹跟踪能力降低，跟踪误差增大，导致输出位置精度无法保障。还有部分转台控制器是基于谐波输出位置反馈传感器信息进行设计的，位置传感器安装在谐波减速器输出轴直接测量输出端位移，称为全闭环控制系统，这种方式下，虽然谐波传动中非线性因素的存在并不能影响它的输出位置精度，但通过劳斯稳定判据可知，控制器比例增益系数的取值范围有一定的局限性，很容易导致系统不稳定，并且输出速度的平稳性也较差。另外，基于谐波减速机构的二维转台控制器也未针对外部的非线性干扰进行自抗扰设计，导致系统响应速度和稳定性受限的同时，也会造成系统控制精度下降。
如公开号为CN104166372A的中国发明专利申请，公开了一种进给系统双位置环反抗的抗扰控制器，在实时补偿总扰动的基础上，利用输入信号与反馈测量信号的误差及其微分设计线性反馈率，获得较高的控制带宽。但是，该专利申请中，内环采用电机角位置信号作为反馈信号，外环采用负载位置端反馈信号，并未考虑柔性关节前后的位置扰动带来的差异。
发明内容
本发明为解决目前基于减速机构的转台控制系统中，半闭环控制系统响应速度和稳定性受限，输出位置精度也无法保障，全闭环控制系统不稳定，输出速度平稳性较差的技术问题，提供一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法及控制系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，采集第一位置信息和第二位置信息
采集安装在电机轴上的第一位置传感器输出的第一位置信息，以及安装在谐波减速器输出端的第二位置传感器输出的第二位置信息；
S2，提取角速度、角度和电流
分别从第一位置信息中提取电机角速度、电机角度，分别从第二位置信息中提取负载角度和负载角速度；同时，获取电机电流；
S3，闭环控制
S3.1，对负载角度与负载角度参考进行差值比较，比较结果通过位置控制器得到负载角速度参考；
S3.2，对负载角速度与负载角速度参考进行差值比较，比较结果通过速度控制器得到电机角度参考；
S3.3，对电机角度与电机角度参考进行差值比较，比较结果通过电机位置控制器得到电机角速度参考；
S3.4，对电机角速度与电机角速度参考进行差值比较，比较结果通过电机速度控制器得到电机电流参考；
S3.5，对电机电流与电机电流参考进行差值比较，根据比较结果，控制电机的输入电流，从而控制转台工作。
进一步地，步骤S3.1中，所述负载角度参考具体为，目标角度经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]：
Figure GDA0003677386890000031
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量。
进一步地，步骤S3.1中，所述负载角度参考具体是通过以下方式得到的：
S3.1.1，目标角度插值计算
目标角度经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]为：
Figure GDA0003677386890000041
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量；
S3.1.2，对最新计算得到的5个输入角度进行5点预测计算，得到预推角度A[n]，将预推角度A[n]作为负载角度参考：
A[n]＝((c[4]-c[1])-(c[5]-c[1])+(c[2]-c[1]))/16+(2×((c[5]-c[1])-(c[2]-c[1]))+((c[5]-c[1])-(c[3]-c[1])))/4+((c[5]-c[1])-(c[5]-c[1]))+c[1]
其中，c[5]为最新计算得到的5个输入角度中最新的输入角度，c[4]为c[5]前一拍的输入角度，c[3]为c[4]前一拍的输入角度，c[2]为c[3]前一拍的输入角度，c[1]为c[2]前一拍的输入角度。
本发明还提供了一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，用于实现上述基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，其特殊之处在于，包括第一差值比较器、位置控制器、第二差值比较器、速度控制器、第三差值比较器、电机位置控制器、第四差值比较器、电机速度控制器和第五差值比较器，以及用于连接电机的电流控制器、安装在电机轴上的第一位置传感器和安装在谐波减速器输出端的第二位置传感器；
所述第一差值比较器的一个输入端输入目标角度，另一个输入端与第二位置传感器的输出端相连，用于输入负载角度；第一差值比较器的输出端连接位置控制器的输入端；
所述第二差值比较器的一个输入端连接位置控制器的输出端，用于输入位置控制器输出的负载角速度参考，另一个输入端与第二位置传感器的输出端相连，用于输入负载角速度；第二差值比较器的输出端连接速度控制器的输入端；
所述第三差值比较器的一个输入端与速度控制器的输出端相连，用于输入速度控制器输出的电机角度参考，另一个输入端与第一位置传感器相连，用于输入电机角度；第三差值比较器的输出端连接电机位置控制器的输入端；
所述第四差值比较器的一个输入端与电机位置控制器的输出端相连，用于输入电机位置控制器输出的电机角速度参考，另一个输入端与第一位置传感器相连，用于输入电机角速度；第四差值比较器的输出端连接电机速度控制器的输入端；
所述第五差值比较器的一个输入端与电机速度控制器的输出端相连，用于输入电机速度控制器输出的电机电流参考，另一个输入端与电机相连，用于输入电机电流反馈，第五差值比较器的输出端与电机的电流控制器相连，用于对电机的电流进行控制。
进一步地，包括跟踪微分器；
所述跟踪微分器的输入端输入目标角度，输出端与第一差值比较器的一个输入端相连，用于向第一差值比较器输入经跟踪微分器处理后的目标角度。
进一步地，所述跟踪微分器处理后的目标角度为经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]：
Figure GDA0003677386890000051
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量。
进一步地，所述跟踪微分器处理后的目标角度具体通过以下方式得到：
目标角度经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]：
Figure GDA0003677386890000061
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量；
对最新计算得到的5个输入角度进行5点预测计算，得到预推角度A[n]，将预推角度A[n]作为负载角度参考：
A[n]＝((c[4]-c[1])-(c[5]-c[1])+(c[2]-c[1]))/16+(2×((c[5]-c[1])-(c[2]-c[1]))+((c[5]-c[1])-(c[3]-c[1])))/4
+((c[5]-c[1])-(c[5]-c[1]))+c[1]
其中，c[5]为最新计算得到的5个输入角度中最新的输入角度，c[4]为c[5]前一拍的输入角度，c[3]为c[4]前一拍的输入角度，c[2]为c[3]前一拍的输入角度，c[1]为c[2]前一拍的输入角度。
进一步地，还包括电机编码器和转台编码器；
所述电机编码器的输入端与第一位置传感器相连，输出端分别连接第三差值比较器和第四差值比较器，用于对第一位置传感器输出的第一位置信息进行编码，并分别输出电机角度和电机角速度；
所述转台编码器的输入端与第二位置传感器相连，输出端分别连接第一差值比较器和第二差值比较器，用于对第二位置传感器输出的第二位置信息进行编码，并分别输出负载角度和负载角速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，结合动力学方程的分析，设计双位置环反馈控制，实现了基于谐波减速机构的转台高精度低速下速度平稳性控制和高精度的位置控制。另外，本发明能够有效解决转台减速机构带来的滞后、以及过大换相力矩波动对低速速度平稳性和位置跟踪精度带来的影响。
2.本发明采用了位置路径规划加Lagrange三点预推细分计算方法，使得目标角度通过计算能输出平滑的输入角度，同时，还能有效降低跟踪延时。使谐波减速器后端输出轨迹快速而稳定地跟踪到期望轨迹，即使受到外部非线性因素的干扰，转台也能在实现低速速度平稳性的同时，达到高精度位置跟踪控。
3.本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，用到两个位置反馈，分别借助于安装在电机轴上的第一位置传感器，以及安装在谐波减速器输出端的第二位置传感器，电机轴位置反馈响应快，谐波减速器输出端上的第二位置传感器能够直接测量谐波输出端的位置，降低了非线性因素对控制系统的影响，同时兼具两者的优点。
4.本发明通过跟踪微分器，解决了动态响应出现超调和快速性之间的矛盾，具有简单易实现的特点，便于进行工程实现和应用。
附图说明
图1为本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法原理示意图；
图2为本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统实施例的示意图；
图3为本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统的应用示意图；
图4为本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统实施例的方位速度误差图；
图5为本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统实施例的俯仰速度误差图；
图6为本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统实施例的方位高速机动后角度误差图；
图7为本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统实施例的俯仰高速机动后角度误差图。
其中：1-第一差值比较器、2-位置控制器、3-第二差值比较器、4-速度控制器、5-第三差值比较器、6-电机位置控制器、7-第四差值比较器、8-电机速度控制器、9-第五差值比较器、10-电机、11-转台、12-电流控制器、13-跟踪微分器、14-电机编码器、15-转台编码器、16-谐波减速器、17-基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统、18-控制单元、19-DSP看门狗监测模块、20-多通道双电源运算放大器、21-模数转换器、22-方位俯仰电机驱动模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
由于谐波减速器16柔性带来的非线性因素的存在，不论是单纯的依靠电机10轴上的位置传感器进行半闭环位置控制，还是依靠谐波减速器16输出端的位置传感器进行全闭环位置控制，都无法保证完成高精度位置控制，并同时实现高速度平稳性控制。
基于此，该本发明首先对谐波减速器16的前后端进行分析，其状态空间表达如式(1)所示：
Figure GDA0003677386890000091
Figure GDA0003677386890000092
Figure GDA0003677386890000093
Figure GDA0003677386890000094
Figure GDA0003677386890000095
其中，θL为负载角度，ωL为负载角速度，JL为负载转动惯量，θm为电机角度，ωm为电机角速度，Jm为电机转子转动惯量，τ为负载转矩，τm为电机转矩，μ为电机阻尼系数，k为谐波减速器刚度，N为谐波减速器减速比。
Figure GDA0003677386890000096
表示对θL进行求导计算，
Figure GDA0003677386890000097
表示对ωL进行求导计算，
Figure GDA0003677386890000098
表示对θm进行求导计算，
Figure GDA0003677386890000099
表示对ωm进行求导计算。
由拉普拉斯变换得到式(2)和式(3)：
Figure GDA00036773868900000910
Figure GDA00036773868900000911
其中，GL(s)为谐波减速器后端传递函数，ωa为系统反谐振频率，s为复数，表示GL(s)和Gm(s)是经过拉普拉斯变换后的表达式，ωn为系统谐振频率，Gm(s)为电机端传递函数，
Figure GDA00036773868900000912
Figure GDA00036773868900000913
因此，综合考虑半闭环位置控制和全闭环位置控制的优缺点，并结合动力学方程，分析设计双位置环控制的方式，来实现速度平稳和高精度的位置控制，控制原理如图1所示。图1中，
Figure GDA0003677386890000101
和
Figure GDA0003677386890000102
分别为负载角度参考和负载角速度参考，
Figure GDA0003677386890000103
和
Figure GDA0003677386890000104
分别为电机角度参考和电机角速度参考。
Figure GDA0003677386890000105
和
Figure GDA0003677386890000106
分别为负载位置环控制器、负载速度环控制器、电机位置环控制器和电机速度环控制器，图1中的控制对象包括电机10和谐波减速器16，图1虚框内的各方框均表示传递函数，分别为传递函数
Figure GDA0003677386890000107
传递函数
Figure GDA0003677386890000108
传递函数N、传递函数k、传递函数
Figure GDA0003677386890000109
传递函数
Figure GDA00036773868900001010
传递函数
Figure GDA00036773868900001011
对于负载位置环，θL一方面作为负载位置环的闭环反馈，另一方面作为负载转矩计算公式的参考因素，即
Figure GDA00036773868900001012
对于负载速度环，负载角速度ωL与负载角速度参考
Figure GDA00036773868900001013
进行差值比较，根据差值比较结果控制
Figure GDA00036773868900001014
输出电机角度参考
Figure GDA00036773868900001015
对于电机位置环，电机角度θm与电机角度参考
Figure GDA00036773868900001016
进行差值比较，根据差值比较结果控制
Figure GDA00036773868900001017
输出电机角速度参考
Figure GDA00036773868900001018
对于电机速度环，电机角速度ωm与电机角速度参考
Figure GDA00036773868900001019
进行差值比较，根据差值比较结果控制
Figure GDA00036773868900001020
输出电机力矩τm。
基于上述原理，本发明提出了一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，需要在电机10轴上安装第一位置传感器，在谐波减速器16输出端上安装第二位置传感器，具体包括以下步骤：
S1，采集第一位置信息和第二位置信息
采集安装在电机10轴上的第一位置传感器输出的第一位置信息，以及安装在谐波减速器16输出端的第二位置传感器输出的第二位置信息。双位置环控制用到两个位置信息反馈，对应的两个位置传感器分别安装于电机10的轴上和谐波减速器16的输出端上。电机10的轴上位置反馈响应快，谐波减速器16输出轴上的位置传感器直接测量谐波减速器16输出端的位置，使系统受非线性因素的影响较小。
S2，提取角速度、角度和电流
分别从第一位置信息中提取电机角速度、电机角度，分别从第二位置信息中提取负载角度和负载角速度；同时，获取电机电流；
S3，闭环控制
S3.1，对负载角度与负载角度参考进行差值比较，根据比较结果得到负载角速度参考；
另外，针对关于转台低速速度波动提出的较高要求，引入自抗扰控制策略。使目标角度通过lagrange三点预推细分计算方法计算，输出经插值计算后得到的第n个输入角度c[n]，具体计算方法如下：
Figure GDA0003677386890000111
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量。每一拍之间的时间间隔取决于目标角度的输入频率，插值个数取决于待插值的目标角度的输入频率和插值后位置环输入角度的控制频率。
上述目标角度，是外部给转台的输入，相当于外部的控制命令。通过插值计算能够使目标角度平滑细分。另外，作为一种最优方案，还可以采用5点预测计算方法，使最新计算得到的5个c[n]点，通过5点预测计算，可以预测得到一个预推角度A[n]，将该预推角度A[n]作为负载角度参考，可以有效降低跟踪延时。
A[n]＝((c[4]-c[1])-(c[5]-c[1])+(c[2]-c[1]))/16+(2×((c[5]-c[1])-(c[2]-c[1]))+((c[5]-c[1])-(c[3]-c[1])))/4+((c[5]-c[1])-(c[5]-c[1]))+c[1]
其中，c[5]为最新计算得到的5个输入角度中最新的输入角度，c[4]为c[5]前一拍的输入角度，c[3]为c[4]前一拍的输入角度，c[2]为c[3]前一拍的输入角度，c[1]为c[2]前一拍的输入角度。相邻两拍的时间间隔取决于插值计算c[n]的输出频率。
S3.2，对负载角速度与负载角速度参考进行差值比较，根据比较结果得到电机角度参考；
S3.3，对电机角度与电机角度参考进行差值比较，根据比较结果得到电机角速度参考；
S3.4，对电机角速度与电机角速度参考进行差值比较，根据比较结果得到电机电流参考；
S3.5，对电机电流与电机电流参考进行差值比较，根据比较结果，控制电机10的输入电流，从而控制转台11工作。
如图2所示，为了实现上述控制方法，本发明还提供了一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，包括电机编码器14和转台编码器15，以及依次相连的第一差值比较器1、位置控制器2、第二差值比较器3、速度控制器4、第三差值比较器5、电机位置控制器6、第四差值比较器7、电机速度控制器8和第五差值比较器9，以及安装在电机10轴上的第一位置传感器和安装在谐波减速器16输出端的第二位置传感器。第一差值比较器1的一个输入端输入目标角度，另一个输入端与第二位置传感器的输出端相连，用于输入负载角度。第二差值比较器3的一个输入端连接位置控制器2的输出端，用于输入位置控制器2输出的负载角速度参考，另一个输入端与第二位置传感器的输出端相连，用于输入负载角速度。具体的，转台编码器15的输入端与第二位置传感器相连，输出端分别连接第一差值比较器1和第二差值比较器3，通过转台编码器15对第二位置传感器输出的第二位置信息进行编码，并分别输出负载角度和负载角速度。第三差值比较器5的一个输入端与速度控制器4的输出端相连，用于输入速度控制器4输出的电机角度参考，另一个输入端与第一位置传感器相连，用于输入电机角度。第四差值比较器7的一个输入端与电机位置控制器6的输出端相连，用于输入电机位置控制器6输出的电机角速度参考，另一个输入端与第一位置传感器相连，用于输入电机角速度。具体的，电机编码器14的输入端与第一位置传感器相连，输出端分别连接第三差值比较器5和第四差值比较器7，通过电机编码器14对第一位置传感器输出的第一位置信息进行编码，并分别输出电机角度和电机角速度。第五差值比较器9的一个输入端与电机速度控制器8的输出端相连，用于输入电机速度控制器8输出的电机电流参考，另一个输入端与电机10相连，用于输入电机电流反馈，第五差值比较器9的输出端与电机10的电流控制器12相连，用于对电机10的电流进行控制。
作为一种优选方案，还包括跟踪微分器13，跟踪微分器13的输入端输入目标角度，输出端与第一差值比较器1的一个输入端相连，用于向第一差值比较器1输入经跟踪微分器13处理后的目标角度。跟踪微分器13中根据具体情况执行lagrange三点预推细分计算方法，或者lagrange三点预推细分计算方法加5点预测计算方法。lagrange三点预推细分计算方法使得目标角度通过跟踪微分器后能输出平滑的输入角度，lagrange三点预推细分计算方法解决了控制中存在的快速性和超调之间的矛盾，保证了系统的稳定性。在通过lagrange三点预推细分计算方法使目标角度平滑细分的同时，在控制上还可以再采用5点预测计算方法，将最新计算得到的5个c[n]点通过5点预测计算公式预测得到一个最新目标点，该方法还可以有效降低跟踪延时。
如图3，在应用本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统时，控制单元18采用接口管理FPGA，
基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统17分别交互连接控制单元18和DSP看门狗监测模块19，基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统17向DSP看门狗监测模块19输入时信号频率为100Hz，从DSP看门狗监测模块19接收时，接收脉冲信号，基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统17和控制单元18之间共用RAM，通过I/O接口交互，共用的RAM用于输入转台遥控指令、星敏数据、陀螺数据、编码器数据，并输出电机控制量、转台状态、转台角度值、转台速度。控制单元18的输出端依次与多通道双电源运算放大器20、模数转换器21、方位俯仰电机驱动模块22相连，控制单元18与多通道双电源运算放大器20之间以12bit输出，多通道双电源运算放大器20向模数转换器21输出电机驱动模拟信号，模数转换器21向方位俯仰电机驱动模块22输出电机驱动电压。
如图4和图5所示，对基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统17进行试验验证，转台11的给定最大角速度为0.1°/s，加速度为0.02°/s2时，方位速度误差为0.06°/s(3σ)，俯仰速度误差为0.039°/s(3σ)。如图6和图7所示，对转台11高速机动后位置误差进行测试，方位高速机动后角度误差0.13′(3σ)，俯仰高速机动后角度误差0.28′(3σ)。图4至图7的纵坐标单位均为°(度)。
本发明基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法及控制系统，能够有效解决转台11减速机构带来的滞后、以及过大换相力矩波动对低速速度平稳性和位置跟踪精度带来的影响。通过跟踪微分器，解决了动态响应出现超调和快速性之间的矛盾，能够使谐波减速器16后端输出轨迹快速且稳定地跟踪到期望轨迹。即使控制系统受到外部非线性因素的干扰，转台11也能在实现低速速度平稳性的同时，达到高精度位置跟踪控制。另外，本发明具有简单易实现的特点，便于进行工程实现和应用。
与背景技术中的专利申请相比，本发明通过动力学方程推导，采用负载位置端反馈、负载速度环反馈、电机位置环反馈、电机速度环反馈一共4闭环的双位置环控制方法，提高了系统对柔性关节前后的位置扰动的抗扰能力。另外，背景技术中的专利申请，在位置输入前段采用常规的跟踪微分器(TD)，而本发明创新性的将Language三点插值法和五点预推计算方法引入跟踪微分器13，使位置环输入信号更加平滑，并且降低了输入延时。因此，相较背景技术中的方案，本发明具有更高的自抗扰控制精度，尤其是在柔性关键的低速平稳性控制方面。
在实际应用中，本发明还可以应用于单轴转台，也不止应用于基于谐波减速机构的转台，还可以运用于采用其他减速机构的控制系统，将谐波减速器及其输出端上的第二位置传感器进行适当替换即可。另外，本发明的控制系统，主要应用在空间转动机构方面，同理，也可应用于空间机械臂或成像系统的搭载设备转台上等，例如，在地基和天基观测领域。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集第一位置信息和第二位置信息
采集安装在电机(10)轴上的第一位置传感器输出的第一位置信息，以及安装在谐波减速器(16)输出端的第二位置传感器输出的第二位置信息；
S2，提取角速度、角度和电流
分别从第一位置信息中提取电机角速度、电机角度，分别从第二位置信息中提取负载角度和负载角速度；同时，获取电机电流；
S3，闭环控制
S3.1，对负载角度与负载角度参考进行差值比较，比较结果通过位置控制器(2)得到负载角速度参考；
S3.2，对负载角速度与负载角速度参考进行差值比较，比较结果通过速度控制器(4)得到电机角度参考；
S3.3，对电机角度与电机角度参考进行差值比较，比较结果通过电机位置控制器(6)得到电机角速度参考；
S3.4，对电机角速度与电机角速度参考进行差值比较，比较结果通过电机速度控制器(8)得到电机电流参考；
S3.5，对电机电流与电机电流参考进行差值比较，根据比较结果，控制电机(10)的输入电流，从而控制转台(11)工作。
2.如权利要求1所述基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，其特征在于：步骤S3.1中，所述负载角度参考具体为，目标角度经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]：
Figure FDA0003677386880000021
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量。
3.如权利要求1所述基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，其特征在于：步骤S3.1中，所述负载角度参考具体是通过以下方式得到的：
S3.1.1，目标角度插值计算
目标角度经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]为：
Figure FDA0003677386880000022
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量；
S3.1.2，对最新计算得到的5个输入角度进行5点预测计算，得到预推角度A[n]，将预推角度A[n]作为负载角度参考：
A[n]＝((c[4]-c[1])-(c[5]-c[1])+(c[2]-c[1]))/16+(2×((c[5]-c[1])-(c[2]-c[1]))+((c[5]-c[1])-(c[3]-c[1])))/4+((c[5]-c[1])-(c[5]-c[1]))+c[1]
其中，c[5]为最新计算得到的5个输入角度中最新的输入角度，c[4]为c[5]前一拍的输入角度，c[3]为c[4]前一拍的输入角度，c[2]为c[3]前一拍的输入角度，c[1]为c[2]前一拍的输入角度。
4.一种基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，用于实现权利要求1至3任一所述基于谐波减速机构的转台双位置环控制方法，其特征在于：包括第一差值比较器(1)、位置控制器(2)、第二差值比较器(3)、速度控制器(4)、第三差值比较器(5)、电机位置控制器(6)、第四差值比较器(7)、电机速度控制器(8)和第五差值比较器(9)，以及用于连接电机(10)的电流控制器(12)、安装在电机(10)轴上的第一位置传感器和安装在谐波减速器(16)输出端的第二位置传感器；
所述第一差值比较器(1)的一个输入端输入目标角度，另一个输入端与第二位置传感器的输出端相连，用于输入负载角度；第一差值比较器(1)的输出端连接位置控制器(2)的输入端；
所述第二差值比较器(3)的一个输入端连接位置控制器(2)的输出端，用于输入位置控制器(2)输出的负载角速度参考，另一个输入端与第二位置传感器的输出端相连，用于输入负载角速度；第二差值比较器(3)的输出端连接速度控制器(4)的输入端；
所述第三差值比较器(5)的一个输入端与速度控制器(4)的输出端相连，用于输入速度控制器(4)输出的电机角度参考，另一个输入端与第一位置传感器相连，用于输入电机角度；第三差值比较器(5)的输出端连接电机位置控制器(6)的输入端；
所述第四差值比较器(7)的一个输入端与电机位置控制器(6)的输出端相连，用于输入电机位置控制器(6)输出的电机角速度参考，另一个输入端与第一位置传感器相连，用于输入电机角速度；第四差值比较器(7)的输出端连接电机速度控制器(8)的输入端；
所述第五差值比较器(9)的一个输入端与电机速度控制器(8)的输出端相连，用于输入电机速度控制器(8)输出的电机电流参考，另一个输入端与电机(10)相连，用于输入电机电流反馈，第五差值比较器(9)的输出端与电机(10)的电流控制器(12)相连，用于对电机(10)的电流进行控制。
5.如权利要求4所述基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，其特征在于：还包括跟踪微分器(13)；
所述跟踪微分器(13)的输入端输入目标角度，输出端与第一差值比较器(1)的一个输入端相连，用于向第一差值比较器(1)输入经跟踪微分器(13)处理后的目标角度。
6.如权利要求5所述基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，其特征在于，所述跟踪微分器(13)处理后的目标角度为经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]：
Figure FDA0003677386880000041
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量。
7.如权利要求5所述基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，其特征在于，所述跟踪微分器(13)处理后的目标角度具体通过以下方式得到：
目标角度经下式插值计算后得到的第n个输入角度c[n]：
Figure FDA0003677386880000042
其中，y[2]为最新获得的目标角度，y[0]为y[2]前两拍获得的目标角度，y[1]为y[2]前一拍获得的目标角度，N[0]为y[0]前的插值个数，取值为0，N[1]为y[0]和y[1]两点之间的插值个数，N[2]为y[0]和y[2]两点之间的插值个数，n＝1,2,......i，i为插值计算后得到的y[1]和y[2]间的输入角度总数量；
对最新计算得到的5个输入角度进行5点预测计算，得到预推角度A[n]，将预推角度A[n]作为负载角度参考：
A[n]＝((c[4]-c[1])-(c[5]-c[1])+(c[2]-c[1]))/16+(2×((c[5]-c[1])-(c[2]-c[1]))+((c[5]-c[1])-(c[3]-c[1])))/4+((c[5]-c[1])-(c[5]-c[1]))+c[1]
其中，c[5]为最新计算得到的5个输入角度中最新的输入角度，c[4]为c[5]前一拍的输入角度，c[3]为c[4]前一拍的输入角度，c[2]为c[3]前一拍的输入角度，c[1]为c[2]前一拍的输入角度。
8.如权利要求4至7任一所述基于谐波减速机构的转台双位置环控制系统，其特征在于：还包括电机编码器(14)和转台编码器(15)；
所述电机编码器(14)的输入端与第一位置传感器相连，输出端分别连接第三差值比较器(5)和第四差值比较器(7)，用于对第一位置传感器输出的第一位置信息进行编码，并分别输出电机角度和电机角速度；
所述转台编码器(15)的输入端与第二位置传感器相连，输出端分别连接第一差值比较器(1)和第二差值比较器(3)，用于对第二位置传感器输出的第二位置信息进行编码，并分别输出负载角度和负载角速度。
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