CN116054497A - 一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置、控制方法及控制系统 - Google Patents

一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置、控制方法及控制系统 Download PDF

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CN116054497A CN202310072743.9A CN202310072743A CN116054497A CN 116054497 A CN116054497 A CN 116054497A CN 202310072743 A CN202310072743 A CN 202310072743A CN 116054497 A CN116054497 A CN 116054497A
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Abstract

一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置、控制方法及控制系统，它属于惯性测试技术领域。本发明解决了现有方法中未考虑导电滑环摩擦力矩对惯性测试设备的影响，导致速率精度低及速率平稳性差的问题。本发明采用伺服控制的方法主动隔离导电滑环摩擦力矩干扰，完成了导电滑环伺服装置的设计和应用，惯性测试设备主轴与导电滑环非刚性连接，滑环伺服装置跟踪主轴转动的角位置信号，进而带动导电滑环的转子旋转，此时导电滑环摩擦力矩只作用于伺服装置中，达到了惯性测试设备主轴不受滑环摩擦力矩波动干扰的目的。本发明方法可以应用于对导电滑环摩擦力矩扰动进行抑制。

Description

一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置、控制方法及控制系统
技术领域
本发明属于惯性测试技术领域，具体涉及一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置、控制方法及控制系统。
背景技术
超高精度惯性仪表及系统是战略武器系统实现精确打击的核心部件，也是实现快速机动发射提升战场生存能力的关键技术所在，具有不可替代的地位。惯性仪表及系统误差在惯性导航或惯性制导武器总命中误差中所占比重在70％以上，导弹武器的机动能力和快速反应能力在很大程度上取决于惯性仪表及系统的测试标定环境条件和技术准备时间。测试与试验是惯性技术的研究基础和前提，测试的准确性和试验的真实性直接决定了惯性技术的研究水平。惯性测试装备是惯性测试技术研究的基本方法手段，惯性测试装备的精度是高端科学技术水平和国防现代化程度的重要衡量标准。
目前，常规精度的惯性测试装备在使用导电滑环时忽略了其摩擦力矩的干扰，电机力矩波动、驱动器力矩死区、轴承摩擦力矩扰动等掩盖了导电滑环的摩擦力矩影响。研制超高精度的惯性测试设备，导电滑环的摩擦力矩波动成为了不可忽略的干扰项，该干扰直接影响惯性测试设备的速率精度及速率平稳性。
发明内容
本发明的目的是为解决现有方法中未考虑导电滑环摩擦力矩对惯性测试设备的影响，导致速率精度低及速率平稳性差的问题，而提出的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置、控制方法及控制系统。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置，所述装置包括导电滑环、导电滑环拨叉、滑环安装法兰、芯轴、轴承压圈、角接触球轴承、上轴承座、下轴承座、滑环电机套、圆光栅、光栅读数头、伺服轴系安装法兰、开槽平端紧定螺钉和伺服电机，其中：
所述伺服电机包括伺服电机转子和伺服电机定子；
所述滑环安装法兰、上轴承座、伺服电机转子和下轴承座由上至下依次同轴套在芯轴上，所述滑环安装法兰的下端与上轴承座的上端固定连接，所述上轴承座和下轴承座与芯轴之间转动连接，所述伺服电机转子固连在芯轴上；
所述滑环电机套同轴套在伺服电机的外面，且滑环电机套处于上轴承座和下轴承座之间，滑环电机套的顶端连接在上轴承座上，滑环电机套的底端连接在下轴承座上；所述伺服电机定子与滑环电机套通过开槽平端紧定螺钉进行固定；
所述导电滑环设置在芯轴的上方，导电滑环的转子连接在滑环安装法兰的顶端，导电滑环拨叉的顶端与导电滑环的定子连接，导电滑环拨叉的下端与芯轴的顶端固定连接；
所述的芯轴的底端连接在伺服轴系安装法兰上；所述的圆光栅同轴套在下轴承座上，并与下轴承座固定连接；
所述的光栅读数头固连在伺服轴系安装法兰上，所述圆光栅和光栅读数头共同组成角位置测量单元；
所述的上轴承座和下轴承座通过一对角接触球轴承套装在芯轴上，处于上方的角接触球轴承通过轴承压圈与芯轴上方的轴肩进行固定；处于下方的角接触球轴承通过伺服轴系安装法兰与芯轴下方的轴肩进行固定。
进一步地，所述装置还包括限位拨叉，限位拨叉设置在上轴承座与惯性测试设备的主轴之间。
一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制方法，所述装置采用包括电流环、位置环和速度环的三环控制，所述电流环的控制方法为：
设变量z1和z2为：
Figure BDA0004065230070000021
其中，t为时间，ωcmd为速度指令，ωfb为当前反馈的角速度；
则PI控制律u0为：
u0＝-Kiz1-Kpz2
其中，Ki为积分控制参数，Kp为比例控制参数；
设滑模变量s为：
s＝z1+cz2
其中，c为常数，满足c＞Kp/Ki；
则滑模控制律v为：
Figure BDA0004065230070000022
其中，Jmax为负载惯量的最大值，bmin为力矩系数的最小值，sgn(s)为符号函数，dmax为速度指令ωcmd变化速度的最大幅度，ks＞0；
则电流环的控制指令值Icmd为：
Icmd＝u0+v。
进一步地，所述速度环的控制方法为：
步骤一、给定采样周期T，并设矩阵A、B和C分别为：
Figure BDA0004065230070000031
则离散化的状态方程为：
Xk+1＝AXk+Bak
zk＝CXk
其中，Xk+1为在第k+1个时刻的状态量，Xk为在第k个时刻的状态量，Xk＝[θk,ωk]，θk为第k个时刻的角度，ωk为第k个时刻的角速度，ak为角加速度a在第k个时刻的值，zk＝θk；
考虑控制输入和位置传感器输出的误差，将真实的系统写成：
Figure BDA0004065230070000032
Figure BDA0004065230070000033
其中，
Figure BDA0004065230070000034
表示第k+1个时刻的实际状态量，
Figure BDA0004065230070000035
表示第k个时刻实际状态量，wk为过程噪声，
Figure BDA0004065230070000036
表示在第k个时刻位置传感器的测量值，vk为量测噪声，
Figure BDA0004065230070000037
表示在第k个时刻角加速度控制输入的误差，
Figure BDA0004065230070000038
表示在第k个时刻测量的电机电流
Figure BDA0004065230070000039
产生的角加速度；
所述
Figure BDA00040652300700000310
的计算公式为：
Figure BDA00040652300700000311
其中，
Figure BDA00040652300700000312
表示在第k个时刻测量的电机电流，Ke为力矩系数，J为负载惯量；
步骤二、采用卡尔曼滤波算法对状态量进行估计。
进一步地，所述步骤二的具体过程为：
步骤二一、初始化状态量X0以及状态协方差矩阵P0；
步骤二二、计算第1个时刻状态量一步预测值
Figure BDA0004065230070000041
Figure BDA0004065230070000042
其中，
Figure BDA0004065230070000043
表示在第1个时刻测量的电机电流
Figure BDA0004065230070000044
产生的角加速度；
步骤二三、计算第1个时刻的状态协方差矩阵的估计值
Figure BDA0004065230070000045
Figure BDA0004065230070000046
其中，Q为wk的协方差矩阵；
步骤二四、计算第1个时刻的观测器增益矩阵K1：
Figure BDA0004065230070000047
其中，上角标T代表矩阵的转置，上角标-1代表矩阵的逆，R为vk的协方差矩阵；
步骤二五、对
Figure BDA0004065230070000048
进行修正：
Figure BDA0004065230070000049
其中，X1为
Figure BDA00040652300700000410
的修正值，
Figure BDA00040652300700000411
表示在第1个时刻位置传感器的输出；
步骤二六、对状态协方差矩阵的估计值
Figure BDA00040652300700000412
进行更新：
Figure BDA00040652300700000413
其中，I2×2为单位矩阵，P1为更新后的状态协方差矩阵；
步骤二七、利用步骤二五和步骤二六的计算结果返回步骤二二；
步骤二八、重复执行步骤二二至步骤二七的过程，计算出每个时刻的状态量以及状态协方差矩阵。
进一步地，所述位置环采用PID校正。
一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制系统，所述控制系统包括控制算法模块、中断处理模块、测角信号采集模块、AD信号采集模块、DA信号转换模块和上位机通信模块，其中：
所述上位机通信模块用于接收跟踪指令信息，并将跟踪指令信息发送给中断处理模块，作为滑环伺服装置控制系统的给定量；
所述测角信号采集模块用于采集滑环伺服装置圆光栅测角信号；
所述AD信号采集模块用于采集伺服电机电流信号；所述控制算法模块内包括电流环、速度环和位置环的控制算法；
所述中断处理模块用于根据控制算法、控制系统反馈量和跟踪指令计算控制量；
所述控制系统反馈量包括圆光栅测角信号和伺服电机电流信号；
所述DA信号转换模块用于将中断处理模块解算的控制量转换成滑环伺服装置驱动器控制信号。
本发明的有益效果是：
本发明采用伺服控制的方法主动隔离导电滑环摩擦力矩干扰，完成了导电滑环伺服装置的设计和应用，惯性测试设备主轴与导电滑环非刚性连接，滑环伺服装置跟踪主轴转动的角位置信号，进而带动导电滑环的转子旋转，此时导电滑环摩擦力矩只作用于伺服装置中，达到了惯性测试设备主轴不受滑环摩擦力矩波动干扰的目的，显著提升了惯性测试设备的速率精度和速率平稳性。实测证明，采用本发明的滑环伺服装置可以使速率平稳度提升1个数量级。
附图说明
图1是滑环伺服系统机械结构图；
1、导电滑环；2、导电滑环拨叉；3、滑环安装法兰；4、芯轴；5、轴承压圈；6、角接触球轴承；7、上轴承座；8、下轴承座；9、滑环电机套；10、伺服电机转子；11、伺服电机定子；12、圆光栅；13、光栅读数头；14、伺服轴系安装法兰；15、开槽平端紧定螺钉；16、限位拨叉；
图2是滑环伺服系统总体控制架构图；
图3是速率环改进控制框图；
图4是滑环伺服系统工作流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置，所述装置包括导电滑环1、导电滑环拨叉2、滑环安装法兰3、芯轴4、轴承压圈5、角接触球轴承6、上轴承座7、下轴承座8、滑环电机套9、圆光栅12、光栅读数头13、伺服轴系安装法兰14、开槽平端紧定螺钉15和伺服电机，其中：
所述伺服电机包括伺服电机转子10和伺服电机定子11；
所述滑环安装法兰3、上轴承座7、伺服电机转子10和下轴承座8由上至下依次同轴套在芯轴4上，所述滑环安装法兰3的下端与上轴承座7的上端固定连接，所述上轴承座7和下轴承座8与芯轴4之间转动连接，所述伺服电机转子10通过螺钉固连在芯轴4上；
所述滑环电机套9同轴套在伺服电机的外面，且滑环电机套9处于上轴承座7和下轴承座8之间，滑环电机套9的顶端连接在上轴承座7上，滑环电机套9的底端连接在下轴承座8上；所述伺服电机定子11与滑环电机套9通过开槽平端紧定螺钉15进行固定；
所述导电滑环1设置在芯轴4的上方，导电滑环1的转子通过螺钉连接在滑环安装法兰3的顶端，导电滑环拨叉2的顶端与导电滑环1的定子连接，导电滑环拨叉2的下端与芯轴4的顶端固定连接；
所述的芯轴4的底端通过螺钉连接在伺服轴系安装法兰14上；所述的圆光栅12同轴套在下轴承座8上，并与下轴承座8固定连接；
所述的光栅读数头13固连在伺服轴系安装法兰14上，并与圆光栅12之间保证可正常工作的间隙及相对姿态关系，所述圆光栅12和光栅读数头13共同组成角位置测量单元；
所述的上轴承座7和下轴承座8通过一对角接触球轴承6套装在芯轴4上，处于上方的角接触球轴承6通过轴承压圈5与芯轴4上方的轴肩进行固定；处于下方的角接触球轴承6通过伺服轴系安装法兰14与芯轴4下方的轴肩进行固定。
本发明利用电机伺服跟踪方式隔离相对运动的思想，导电滑环转子与惯性测试设备旋转主轴不进行刚性连接，导电滑环定子固定在测试设备框架上，导电滑环、伺服电机、角位置传感器等构成一个独立的伺服闭环系统。当惯性测试设备转动时，伺服系统跟踪测试设备主轴角位置信号，进而带动导电滑环的转子旋转，在保证伺服精度的条件下，该方式使导电滑环转子与定子之间的摩擦力矩只作用在伺服电机上，而不会对惯性测试设备主轴转动产生影响，达到隔离导电滑环相对运动的目的，实现抑制导电滑环摩擦力矩扰动的功能，有效提升惯性测试设备的速率精度及平稳性。本发明利用物理方式隔离电滑环摩擦力矩，是一种简单、有效、可靠的力矩波动抑制方法。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述装置还包括限位拨叉16，限位拨叉16设置在上轴承座7与惯性测试设备的主轴之间。
当滑环伺服系统不进行伺服控制时，通过限位拨叉可以使惯性测试设备主轴直接带动导电滑环旋转，即回归到传统的导电滑环应用方式。这种方式增加了系统的安全性，当滑环伺服系统调试或故障时，防止导电滑环扭伤导线。滑环伺服系统工作时，主轴圆光栅的角位置信息作为滑环伺服系统的输入，滑环伺服系统圆光栅作为反馈，与滑环伺服电机一起构成闭环伺服系统。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式。基于具体实施方式一所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制方法，所述装置采用包括电流环、位置环和速度环的三环控制，所述电流环的控制方法为：
设变量z1和z2为：
Figure BDA0004065230070000071
其中，t为时间，ωcmd为速度指令，ωfb为当前反馈的角速度；
则PI控制律u0为：
u0＝-Kiz1-Kpz2
其中，Ki为积分控制参数，Kp为比例控制参数；
设滑模变量s为：
s＝z1+cz2
其中，c为常数，满足c＞Kp/Ki；
则滑模控制律v为：
Figure BDA0004065230070000072
其中，Jmax为负载惯量的最大值，bmin为力矩系数的最小值，sgn9s)为符号函数，dmax为速度指令ωcmd变化速度的最大幅度，ks＞0，ks为任意小的正数；
则电流环的控制指令值Icmd为：
Icmd＝u0+v。
本实施方式的方法可以兼顾超调量和稳态误差、适应负载动态特性，并保证闭环系统的稳定性不受影响。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述速度环的控制方法为：
步骤一、给定采样周期T，并设矩阵A、B和C分别为：
Figure BDA0004065230070000081
则离散化的状态方程为：
Xk+1＝AXk+Bak
zk＝CXk
其中，Xk+1为在第k+1个时刻的状态量，Xk为在第k个时刻的状态量，Xk＝[θk,ωk]，θk为第k个时刻的角度，ωk为第k个时刻的角速度，ak为角加速度a在第k个时刻的值，zk＝θk；
考虑控制输入和位置传感器输出的误差，将真实的系统写成：
Figure BDA0004065230070000082
Figure BDA0004065230070000083
其中，
Figure BDA0004065230070000084
表示第k+1个时刻的实际状态量，
Figure BDA0004065230070000085
表示第k个时刻实际状态量，wk为过程噪声，
Figure BDA0004065230070000086
表示在第k个时刻位置传感器的测量值，vk为量测噪声，
Figure BDA0004065230070000087
表示在第k个时刻角加速度控制输入的误差，
Figure BDA0004065230070000088
表示在第k个时刻测量的电机电流
Figure BDA0004065230070000089
产生的角加速度；
所述
Figure BDA00040652300700000810
的计算公式为：
Figure BDA00040652300700000811
其中，
Figure BDA00040652300700000812
表示在第k个时刻测量的电机电流，Ke为力矩系数，J为负载惯量；
步骤二、采用卡尔曼滤波算法对状态量进行估计。
系统闭环稳定时，滑环转子跟踪主轴圆光栅信号，即伺服主轴旋转。采用本实施方式的控制方法可以提升伺服系统动态性能和跟踪精度，减小速度估计误差，提升了伺服系统的抗干扰能力。
其它步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是，所述步骤二的具体过程为：
步骤二一、初始化状态量X0以及状态协方差矩阵P0；
步骤二二、计算第1个时刻状态量一步预测值
Figure BDA0004065230070000091
Figure BDA0004065230070000092
其中，
Figure BDA0004065230070000093
表示在第1个时刻测量的电机电流
Figure BDA0004065230070000094
产生的角加速度；
步骤二三、计算第1个时刻的状态协方差矩阵的估计值
Figure BDA0004065230070000095
Figure BDA0004065230070000096
其中，Q为wk的协方差矩阵；
步骤二四、计算第1个时刻的观测器增益矩阵K1：
Figure BDA0004065230070000097
其中，上角标T代表矩阵的转置，上角标-1代表矩阵的逆，R为vk的协方差矩阵；
步骤二五、对
Figure BDA0004065230070000098
进行修正：
Figure BDA0004065230070000099
其中，X1为
Figure BDA00040652300700000910
的修正值，
Figure BDA00040652300700000911
表示在第1个时刻位置传感器的输出；
步骤二六、对状态协方差矩阵的估计值
Figure BDA00040652300700000912
进行更新：
Figure BDA00040652300700000913
其中，I2×2为单位矩阵，P1为更新后的状态协方差矩阵；
步骤二七、利用步骤二五和步骤二六的计算结果返回步骤二二；
步骤二八、重复执行步骤二二至步骤二七的过程，计算出每个时刻的状态量以及状态协方差矩阵。
其它步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
采用本实施方式的方法可以提升反馈速率的估计精度。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是，所述位置环采用PID校正。
其它步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：基于具体实施方式一所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制系统，所述控制系统包括控制算法模块、中断处理模块、测角信号采集模块、AD信号采集模块、DA信号转换模块和上位机通信模块，其中：
所述上位机通信模块用于接收跟踪指令信息，并将跟踪指令信息发送给中断处理模块，作为滑环伺服装置控制系统的给定量；
所述测角信号采集模块用于采集滑环伺服装置圆光栅测角信号；
所述AD信号采集模块用于采集伺服电机电流信号；所述控制算法模块内包括电流环、速度环和位置环的控制算法；
所述中断处理模块用于根据控制算法、控制系统反馈量和跟踪指令计算控制量；
所述控制系统反馈量包括圆光栅测角信号和伺服电机电流信号；
所述DA信号转换模块用于将中断处理模块解算的控制量转换成滑环伺服装置驱动器控制信号。
滑环伺服控制系统的核心单元采用DSP+FPGA的架构，共同作用实现高精度控制。在系统设计中，DSP专注于控制算法进行实时指令的解算，形成控制指令下传到FPGA；FPGA主要完成测角信号的读取、I/O信号处理与转换等数据预处理功能，两个处理器分工明确，协同工作。
滑环伺服实时控制是在DSP里进行的，DSP程序模块主要包括：主程序模块、控制算法模块、中断处理模块等。主程序模块用于初始化DSP外围模块、开启中断、等待外部中断、后台程序循环等；控制算法模块主要用于位置环PID控制，速率环卡尔曼滤波估计以及滑模控制等；中断处理模块用于根据控制算法实时计算控制量以及状态监测等。
FPGA芯片完成全部外部接口信号交互及采集，FPGA程序模块主要包括：测角信号采集模块、AD信号采集模块、DA信号转换模块、数字I/O信号接口模块、上位机通信模块等。测角信号采集模块通过BISS协议完成圆光栅测角信号实时采集；AD信号采集模块用于采集驱动器监控的电机电流信号；DA信号转换模块用于将DSP解算的控制量转换成驱动器控制信号；数字I/O信号接口模块完成全部状态量的接收或表达等；上位机通信模块主要用于接收跟踪指令信息。
导电滑环伺服系统工作流程图如图4所示。
本发明采用电机伺服控制的方式抑制导电滑环旋转时刷丝与刷架间摩擦力矩扰动，满足惯性测试设备对速率平稳性及速率精度的超高性能需求。通过设计与惯性测试设备主轴隔离的导电滑环伺服装置，采用一种改进速率环控制方法，实现了导电滑环高精度伺服随动系统，使惯性测试设备主轴旋转时不受导电滑环摩擦力矩的干扰，提升了惯性测试设备速率精度及速率平稳性。
实验验证：
实际应用的导电滑环环路为82路，环路电流为3A，长度为320mm，直径为
Figure BDA0004065230070000111
法兰尺寸为
Figure BDA0004065230070000112
摩擦力矩≤0.3Nm，重量为2kg。
力矩电机的输出功率主要用于克服导电滑环的摩擦干扰力矩并驱动滑环转子按控制规律运动。依据导电滑环摩擦力矩和转动惯量，考虑系统动态过程以及保留有一定的系统余量，选择SYL-30直流力矩电机作为导电滑环的伺服电机，其技术指标为：峰值堵转力矩3Nm；峰值堵转电流2.8A；供电电压28V。
为了保证导电滑环与主轴同步转动从而隔离滑环摩擦力矩，根据主轴带宽以及滑环跟踪误差引起的干扰力矩，确定滑环伺服系统的跟踪精度需优于0.001°，频带宽度不小于50Hz。
滑环伺服系统角位置传感器选择英国Ranishaw公司生产的绝对式圆光栅，该类型圆光栅工作时不需要寻零过程。圆光栅型号及主要技术指标如表1所示。
表1选择的圆光栅型号及主要指标
名称 参数
光栅型号 RESA30USA115B
读数头 RA32BAA115B50A
每转位置数 32bit
通信协议 BISS协议
输出信号 RS422接口
根据电机参数选择IFS10DA60驱动器，该驱动器额定电流为5A，最大电流为10A，额定供电电压为48VDC，电流环频带大于1KHz，且具有电机电流监测信号输出接口，可满足滑环伺服系统提高速率反馈估计精度的应用需求。
惯性测试设备采用了气浮轴系和无槽力矩电机来降低系统的力矩干扰，此时导电滑环的摩擦力矩扰动对系统的影响就凸显出来，尤其在低速率、大范围转动过程中，惯性测试设备的速率平稳度可以充分验证滑环伺服系统的有效性。验证测试试验采用定角测时法，分别在启动和关闭滑环伺服系统两种工作状态下设定惯性测试设备转速为1°/s和-1°/s，利用主轴圆光栅零位脉冲测定惯性测试设备每转过一周(360°)的时间，通过计算可得到其速率平稳度。测试结果如表2和表3所示。
定角测时数据处理方法：
1、计算瞬时角速率：
Figure BDA0004065230070000121
2、对瞬时角速率求标准偏差：
Figure BDA0004065230070000122
Figure BDA0004065230070000123
表2启动滑环伺服功能惯性测试设备速率平稳度
Figure BDA0004065230070000124
表3关闭滑环伺服功能惯性测试设备速率平稳度
Figure BDA0004065230070000125
Figure BDA0004065230070000131
通过比较表2和表3的速率平稳度结果可以看出，相对于关闭滑环伺服系统的情况，启动滑环伺服系统时速率平稳度能够提升1个数量级。关闭滑环伺服系统时，惯性测试设备的速率平稳度指标接近传统机械式轴系速率平稳度。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置，其特征在于，所述装置包括导电滑环(1)、导电滑环拨叉(2)、滑环安装法兰(3)、芯轴(4)、轴承压圈(5)、角接触球轴承(6)、上轴承座(7)、下轴承座(8)、滑环电机套(9)、圆光栅(12)、光栅读数头(13)、伺服轴系安装法兰(14)、开槽平端紧定螺钉(15)和伺服电机，其中：
所述伺服电机包括伺服电机转子(10)和伺服电机定子(11)；
所述滑环安装法兰(3)、上轴承座(7)、伺服电机转子(10)和下轴承座(8)由上至下依次同轴套在芯轴(4)上，所述滑环安装法兰(3)的下端与上轴承座(7)的上端固定连接，所述上轴承座(7)和下轴承座(8)与芯轴(4)之间转动连接，所述伺服电机转子(10)固连在芯轴(4)上；
所述滑环电机套(9)同轴套在伺服电机的外面，且滑环电机套(9)处于上轴承座(7)和下轴承座(8)之间，滑环电机套(9)的顶端连接在上轴承座(7)上，滑环电机套(9)的底端连接在下轴承座(8)上；所述伺服电机定子(11)与滑环电机套(9)通过开槽平端紧定螺钉(15)进行固定；
所述导电滑环(1)设置在芯轴(4)的上方，导电滑环(1)的转子连接在滑环安装法兰(3)的顶端，导电滑环拨叉(2)的顶端与导电滑环(1)的定子连接，导电滑环拨叉(2)的下端与芯轴(4)的顶端固定连接；
所述的芯轴(4)的底端连接在伺服轴系安装法兰(14)上；所述的圆光栅(12)同轴套在下轴承座(8)上，并与下轴承座(8)固定连接；
所述的光栅读数头(13)固连在伺服轴系安装法兰(14)上，所述圆光栅(12)和光栅读数头(13)共同组成角位置测量单元；
所述的上轴承座(7)和下轴承座(8)通过一对角接触球轴承(6)套装在芯轴(4)上，处于上方的角接触球轴承(6)通过轴承压圈(5)与芯轴(4)上方的轴肩进行固定；处于下方的角接触球轴承(6)通过伺服轴系安装法兰(14)与芯轴(4)下方的轴肩进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置，其特征在于，所述装置还包括限位拨叉(16)，限位拨叉(16)设置在上轴承座(7)与惯性测试设备的主轴之间。
3.基于权利要求1所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制方法，其特征在于，所述装置采用包括电流环、位置环和速度环的三环控制，所述电流环的控制方法为：
设变量z1和z2为：
Figure FDA0004065230060000021
其中，t为时间，ωcmd为速度指令，ωfb为当前反馈的角速度；
则PI控制律u0为：
u0＝-Kiz1-Kpz2
其中，Ki为积分控制参数，Kp为比例控制参数；
设滑模变量s为：
s＝z1+cz2
其中，c为常数，满足c＞Kp/Ki；
则滑模控制律v为：
Figure FDA0004065230060000022
其中，Jmax为负载惯量的最大值，bmin为力矩系数的最小值，sgn(s)为符号函数，dmax为速度指令ωcmd变化速度的最大幅度，ks＞0；
则电流环的控制指令值Icmd为：
Icmd＝u0+v。
4.根据权利要求3所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制方法，其特征在于，所述速度环的控制方法为：
步骤一、给定采样周期T，并设矩阵A、B和C分别为：
Figure FDA0004065230060000023
则离散化的状态方程为：
Xk+1＝AXk+Bak
zk＝CXk
其中，Xk+1为在第k+1个时刻的状态量，Xk为在第k个时刻的状态量，Xk＝[θk,ωk]，θk为第k个时刻的角度，ωk为第k个时刻的角速度，ak为角加速度a在第k个时刻的值，zk＝θk；
考虑控制输入和位置传感器输出的误差，将真实的系统写成：
Figure FDA0004065230060000031
Figure FDA0004065230060000032
其中，
Figure FDA0004065230060000033
表示第k+1个时刻的实际状态量，
Figure FDA0004065230060000034
表示第k个时刻实际状态量，wk为过程噪声，
Figure FDA0004065230060000035
表示在第k个时刻位置传感器的测量值，vk为量测噪声，
Figure FDA0004065230060000036
表示在第k个时刻角加速度控制输入的误差，
Figure FDA0004065230060000037
表示在第k个时刻测量的电机电流
Figure FDA0004065230060000038
产生的角加速度；
所述
Figure FDA0004065230060000039
的计算公式为：
Figure FDA00040652300600000310
其中，
Figure FDA00040652300600000311
表示在第k个时刻测量的电机电流，Ke为力矩系数，J为负载惯量；
步骤二、采用卡尔曼滤波算法对状态量进行估计。
5.根据权利要求3所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
步骤二一、初始化状态量X0以及状态协方差矩阵P0；
步骤二二、计算第1个时刻状态量一步预测值
Figure FDA00040652300600000312
Figure FDA00040652300600000313
其中，
Figure FDA00040652300600000314
表示在第1个时刻测量的电机电流
Figure FDA00040652300600000315
产生的角加速度；
步骤二三、计算第1个时刻的状态协方差矩阵的估计值
Figure FDA00040652300600000316
Figure FDA00040652300600000317
其中，Q为wk的协方差矩阵；
步骤二四、计算第1个时刻的观测器增益矩阵K1：
Figure FDA00040652300600000318
其中，上角标T代表矩阵的转置，上角标-1代表矩阵的逆，R为vk的协方差矩阵；
步骤二五、对
Figure FDA0004065230060000041
进行修正：
Figure FDA0004065230060000042
其中，X1为
Figure FDA0004065230060000043
的修正值，
Figure FDA0004065230060000044
表示在第1个时刻位置传感器的输出；
步骤二六、对状态协方差矩阵的估计值
Figure FDA0004065230060000045
进行更新：
Figure FDA0004065230060000046
其中，I2×2为单位矩阵，P1为更新后的状态协方差矩阵；
步骤二七、利用步骤二五和步骤二六的计算结果返回步骤二二；
步骤二八、重复执行步骤二二至步骤二七的过程，计算出每个时刻的状态量以及状态协方差矩阵。
6.根据权利要求3所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制方法，其特征在于，所述位置环采用PID校正。
7.基于权利要求1所述的一种抑制导电滑环摩擦力矩扰动的滑环伺服装置的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括控制算法模块、中断处理模块、测角信号采集模块、AD信号采集模块、DA信号转换模块和上位机通信模块，其中：
所述上位机通信模块用于接收跟踪指令信息，并将跟踪指令信息发送给中断处理模块，作为滑环伺服装置控制系统的给定量；
所述测角信号采集模块用于采集滑环伺服装置圆光栅测角信号；
所述AD信号采集模块用于采集伺服电机电流信号；所述控制算法模块内包括电流环、速度环和位置环的控制算法；
所述中断处理模块用于根据控制算法、控制系统反馈量和跟踪指令计算控制量；
所述控制系统反馈量包括圆光栅测角信号和伺服电机电流信号；
所述DA信号转换模块用于将中断处理模块解算的控制量转换成滑环伺服装置驱动器控制信号。
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