一种刚柔耦合高精度振镜电机及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种刚柔耦合高精度振镜电机及其控制方法，其中所述刚柔耦合高精度振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和至少两组编码器；转子转轴上安装有所述刚柔耦合轴承；所述刚柔耦合轴承包括：刚性轴承和能够发生弹性形变的柔性铰链环，所述柔性铰链环被固定在所述刚性轴承的内圈内；所述至少两组编码器包括：第一组编码器和第二组编码器；所述第一组编码器用于测量所述转轴的旋转角度；所述第二组编码器用于测量所述刚性轴承的内圈的旋转角度。本发明专利技术利用柔性铰链环的弹性变形来克服摩擦死区，降低扰动带宽，并通过两组编码器对电机运动进行监控，提高了控制精度。

A rigid flexible coupling high precision galvanometer motor and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔耦合高精度振镜电机及其控制方法
本专利技术涉及振镜电机的
，更具体地，涉及一种刚柔耦合高精度振镜电机及其控制方法。
技术介绍
振镜电机在现代工业领域中被广泛使用，尤其在激光打标、激光内雕、激光打孔、舞台灯光控制等方面。由振镜电机控制光路的激光作业一种高效率且高精密度的加工方法，这对振镜电机转子的角位移精度提出了严格的要求，然而受到运动副摩擦的影响，振镜电机的实际定位精度受限。振镜电机中运动副之间表面粗糙度的不确定变化会导致摩擦阻力的幅值不确定变化。而在振镜电机转轴启动、停止和微旋转的过程中，电机转轴的速度相对较低，上述摩擦阻力的幅值波动容易导致电机转轴出现“爬行”现象。在闭环控制系统作用下，驱动器将会通过增大驱动力的方式来克服摩擦阻力，补偿振镜电机转轴的定位误差。在上述补偿过程中，电机转轴将经历频繁的“静止→运动”状态切换。在“静止→运动”过程中，运动副之间的摩擦阻力会经历“静摩擦力→动摩擦力”的状态切换，而静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异会导致上述状态切换瞬间的加速度突变，造成振镜电机的转轴在最终定位位置附近的“抖动”，影响定位精度。如何降低在启动、停止和微旋转过程中由于摩擦状态切换造成的定位误差影响是影响振镜电机执行精度的重要问题。针对上述问题，目前存在如下解决方案：1.建立精确的摩擦力模型，用于旋转控制驱动力补偿。2.采用无摩擦或低摩擦的运动副设计，例如采用气浮轴承、磁悬浮轴承或柔性铰链等结构设计。由于运动副之间的接触面微观特性差异与制造误差等因素，很难建立高度精确的摩擦力模型，导致旋转控制系统中需要采用复杂的补偿控制方法。气浮轴承或磁悬浮轴承等低摩擦运动副的实施成本较高，限制了其使用范围。柔性铰链作为一种无摩擦运动副，依靠弹性变形来实现连续高精度的旋转，但弹性变形范围有限，变形过大会导致系统的非线性和疲劳寿命问题。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种刚柔耦合高精度振镜电机，将旋转柔性铰链与有摩擦轴承运动副配合使用，通过对旋转副摩擦死区进行补偿来实现高精度的旋转。利用设计的柔性铰链环来降低振镜电机的转轴启动、停止和微旋转过程中摩擦力变化导致的“爬行”对旋转和定位精度的影响。本专利技术采用的具体技术方案如下。第一方面，本专利技术提供一种刚柔耦合高精度振镜电机，所述刚柔耦合高精度振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和至少两组编码器；所述转子包括：转轴、刚柔耦合轴承和多个磁铁；所述多个磁铁极性交替地粘贴在所述转轴上；所述转轴上安装有所述刚柔耦合轴承；所述轴承座通过所述刚柔耦合轴承将所述转子定位在所述定子中；所述刚柔耦合轴承包括：刚性轴承和能够发生弹性形变的柔性铰链环，所述柔性铰链环被固定在所述刚性轴承的内圈内；所述至少两组编码器包括：第一组编码器和第二组编码器；所述第一组编码器用于测量所述转轴的旋转角度；所述第二组编码器能够用于测量所述刚性轴承的内圈的旋转角度。进一步，所述柔性铰链环包括：柔性铰链环内环、柔性铰链环外环和柔性铰链片组；所述柔性铰链环内环与所述转轴紧密接触，所述柔性铰链环外环与所述刚性轴承的内圈紧密接触，所述柔性铰链片组在所述柔性铰链环内环与所述柔性铰链环外环之间环型等距分布。进一步，所述刚柔耦合高精度振镜电机还包括：机座和固定在机座上的读数头安装架；所述第一组编码器包括：第一编码器码盘和与所述第一编码器码盘组合使用的第一编码器读头；所述第二组编码器包括：第二编码器码盘和与所述第二编码器码盘组合使用的第二编码器读头；所述第一编码器码盘被固定在所述转轴上；所述第一编码器读头与所述读数头安装架固定在一起；所述第二编码器码盘被固定在所述柔性铰链环外环上；所述第二编码器读头与所述读数头安装架固定在一起。进一步，所述柔性铰链环的材质为铝合金且采用一体式加工制造。进一步，所述刚柔耦合高精度振镜电机还包括：振镜镜片和夹套；所述夹套将所述振镜镜片固定在转轴的一端。第二方面，本专利技术提供一种用于控制前面所述的刚柔耦合高精度振镜电机的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，以最大转矩减去最大扰动量的差值除于电机转轴的等效惯量，得到最大角加速度作为约束，进行运动规划，得到规划角位移、角速度和角加速度；步骤2，以规划的角位移和角速度为参考输入，以振镜电机转轴的角位移和角速度作为反馈，所述振镜电机的定子和转子共同组成驱动执行器，建立所述振镜电机的闭环控制系统；步骤3，检测刚性轴承内圈的角位移和角速度并分别与所述振镜电机转轴的角位移和角速度作差，得到两者之间的位移差和速度差；步骤4，将步骤2得到的振镜电机转轴的角位移和角速度与运动规划的角位移和角速度作差，输入到pd控制器，对位移差进行比例增益放大，再对位置差进行微分计算后乘以比例增益，得到振镜电机转轴的控制量；步骤5，将步骤3得到的角位移差和角速度差分别乘以柔性铰链片组的刚度和阻尼，将两者相加，得到柔性铰链片组量测扰动力；步骤6，将步骤4得到的控制量进行以柔性铰链片组固有频率为中心频率进行陷波滤波，再将步骤5得到的量测扰动力和运动规划得到的角加速度前馈信息补偿到该控制量中；步骤7，将步骤5得到的量测扰动力与所述步骤6得到的陷波滤波后的控制量一起输入到扩张状态观测器ESO，估计振镜电机转轴的扰动信息；步骤8，将步骤7得到的扰动信息的估计值补偿到步骤6得到的控制量中，转变为无扰动的刚体平台控制系统。进一步，最大转矩由振镜电机的力常数乘以有效工作电流求得；最大扰动力获取方法为：施加一恒定驱动转矩T，测量角加速度曲线，取最小的角加速度值a，通过T-df＝Im*a算出最大扰动力df；电机转轴的惯量为Im。进一步，以柔性铰链片组振动频率和阻尼比为参数，对旋转运动曲线参数进行动力学响应优化，避免谐振分量；其中，动力学响应优化步骤如下：S1、参数化运动规划曲线，并获得所述各角加速度输入信号对应的角位移输出响应在时域上的幅值；S2、建立优化模型；S3、根据S2所获的运动规划曲线参数的最优值，获得最优运动规划曲线。进一步，对pd控制器输出的控制量进行陷波滤波处理，需要将柔性铰链片组产生的扰动力与运动规划的角加速度信息在控制量中进行补偿。与现有技术相比，有益效果是：1、利用柔性铰链环的弹性变形来克服摩擦死区，无须利用高度精确的摩擦力模型；2、利用柔性铰链环的弹性变形来对旋转进行补偿；3、柔性铰链环的结构设计简单，使用成本较低；4、振镜电机的转轴的旋转定位精度更高；5、通过ESO估计出扰动信息，进行补偿控制，使工作平台等效为一个无摩擦的理想平台，这样可以实现高速精密运动，无需切换控制且降低了控制复杂性；6、柔性铰链组的引入，降低扰动带宽，ESO的观测和补偿更加容易，提高了自抗扰控制系统的性能。附图说明图1是本专利技术的刚柔耦合高精度振镜电机的整体结构示意图。图2是刚柔耦合高精度振镜电机剖面示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚柔耦合高精度振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合高精度振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和至少两组编码器；/n所述转子包括：转轴、刚柔耦合轴承和多个磁铁；/n所述多个磁铁极性交替地粘贴在所述转轴上；/n所述转轴上安装有所述刚柔耦合轴承；/n所述轴承座通过所述刚柔耦合轴承将所述转子定位在所述定子中；/n所述刚柔耦合轴承包括：刚性轴承和能够发生弹性形变的柔性铰链环，所述柔性铰链环被固定在所述刚性轴承的内圈内；/n所述至少两组编码器包括：第一组编码器和第二组编码器；/n所述第一组编码器用于测量所述转轴的旋转角度；/n所述第二组编码器能够用于测量所述刚性轴承的内圈的旋转角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种刚柔耦合高精度振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合高精度振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和至少两组编码器；
所述转子包括：转轴、刚柔耦合轴承和多个磁铁；
所述多个磁铁极性交替地粘贴在所述转轴上；
所述转轴上安装有所述刚柔耦合轴承；
所述轴承座通过所述刚柔耦合轴承将所述转子定位在所述定子中；
所述刚柔耦合轴承包括：刚性轴承和能够发生弹性形变的柔性铰链环，所述柔性铰链环被固定在所述刚性轴承的内圈内；
所述至少两组编码器包括：第一组编码器和第二组编码器；
所述第一组编码器用于测量所述转轴的旋转角度；
所述第二组编码器能够用于测量所述刚性轴承的内圈的旋转角度。


2.根据权利要求1所述的刚柔耦合高精度振镜电机，其特征在于，所述柔性铰链环包括：柔性铰链环内环、柔性铰链环外环和柔性铰链片组；
所述柔性铰链环内环与所述转轴紧密接触，所述柔性铰链环外环与所述刚性轴承的内圈紧密接触，所述柔性铰链片组在所述柔性铰链环内环与所述柔性铰链环外环之间环型等距分布。


3.根据权利要求2所述的刚柔耦合高精度振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合高精度振镜电机还包括：机座和固定在机座上的读数头安装架；
所述第一组编码器包括：第一编码器码盘和与所述第一编码器码盘组合使用的第一编码器读头；
所述第二组编码器包括：第二编码器码盘和与所述第二编码器码盘组合使用的第二编码器读头；
所述第一编码器码盘被固定在所述转轴上；
所述第一编码器读头与所述读数头安装架固定在一起；
所述第二编码器码盘被固定在所述柔性铰链环外环上；
所述第二编码器读头与所述读数头安装架固定在一起。


4.根据权利要求2或3所述的刚柔耦合高精度振镜电机，其特征在于，所述柔性铰链环的材质为铝合金且采用一体式加工制造。


5.根据权利要求1-3任一项所述的刚柔耦合高精度振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合高精度振镜电机还包括：振镜镜片和夹套；
所述夹套将所述振镜镜片固定在转轴的一端。


6.一种用于控制权利要求1-5任一项所述的刚柔耦合高精度振镜电机的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，以最大转矩减去最大扰动...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志军，韦胜强，彭皓，白有盾，黄观新，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44