一种基于齿轮机构的伺服控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于齿轮机构的伺服控制方法
本专利技术专利涉及一种基于齿轮机构的伺服控制方法，具体而言，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术不再详细描述。比例微分调节，则是在调解时去除了积分项的调节方式。本专利技术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，如果本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：向卫军，阳章雄，张华，
申请(专利权)人：武汉华中天勤光电系统有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42