一种刚柔耦合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振镜电机及其控制方法，所述刚柔耦合振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和光栅编码器；所述转子包括：转轴、刚柔耦合轴承和多个磁铁；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；所述光栅编码器用于测量所述转轴的角位移量。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，并利用状态观测器ESO估计出电机运动过程中的扰动信息，通过刚柔耦合设计，降低了ESO的扰动带宽，提高了自抗扰控制的性能，提高了控制精度。

A rigid flexible coupling galvanometer motor and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔耦合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，涉及一种刚柔耦合振镜电机及其控制方法。
技术介绍
振镜电机是一种特殊的摆动电机，在激光打标、激光内雕、激光打孔、舞台灯光控制等方面被广泛使用。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，而在电机转子的启动、停止和微进给过程中，电机转子的转速相对较低，上述摩擦阻力的幅值波动容易导致运动平台出现“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，造成旋转平台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，用于振镜控制驱动力补偿。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外摩擦运动副，依靠弹性变形来实现连续高精度的转动。柔性铰链往往与有摩擦运动副配合使用，通过对转动进行补偿来实现高精度的旋转。
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，本专利技术提出一种新型的刚柔耦合振镜电机，利用设计的柔性铰链环来降低振镜电机启动、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。另外，本专利技术还提出了一种基于单反馈振镜电机运动的控制方法，利用运动规划得到振镜电机运动的最优曲线，利用状态观测器ESO估计出电机运动过程中的扰动信息，从而进行补偿算法实现高速精密运动。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振镜电机，所述刚柔耦合振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和光栅编码器；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；所述光栅编码器用于测量所述转轴的角位移量。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，所述刚柔耦合振镜电机还包括：机座、固定在机座上的读数头安装架和固定在所述转轴上的编码盘安装架；所述光栅编码器包括：编码器码盘和与所述编码器码盘组合使用的光栅读数头；所述编码器码盘固定在编码盘安装架上；所述光栅读数头固定在所述读数头安装架上。进一步，所述刚柔耦合振镜电机还包括：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述的刚柔耦合振镜电机的方法，所述方法需要对运动规划的最大加速度做限制，所述最大加速度由驱动单元正常运行时能产生的最大转矩减去最大扰动力再除以电机转子惯量得到；所述方法还包括以下步骤：步骤1，设置电机转轴的反馈，以转子的驱动单元为执行器，建立所述振镜电机的闭环控制系统；其中，所述的反馈可以设置为两种量：第一种：以所述转轴的角位移为反馈；第二种：以所述转轴的角位移和角速度为反馈；步骤2，对所述转轴进行旋转运动规划，得到转轴的角位移信息、角速度信息和角加速度信息；接下来有两种情况：第一种，当所述的反馈为角位移时，将测量到的转轴的角位移反馈与运动规划的角位移信息做差，得到角位移差；第二种，当所述的反馈为角位移和角速度时，除所述角位移差之外，还需计算测量到的转轴的角速度反馈与运动规划的角速度信息做差，以得到角速度差；步骤3，将所述角位移差与控制量一起输入到扩张状态观测器ESO，估计所述转轴的角位移差、角速度差和扰动差，得到角位移差的估计值、角速度差的估计值、角扰动差的估计值；不论步骤1中是第一种还是第二种情况，步骤3的处理过程均相同；步骤4，步骤4也分两种情况：第一种，当所述的反馈为角位移时，将所述角速度差的估计值与所述的角位移差输入到电机转轴的控制器中，对角位移差进行等比例增益放大，再对角位移差进行微分环节计算后乘以比例增益，得到控制器输出的控制量；第二种，当所述的反馈为角位移和角速度时，将所述的角速度差与角位移差输入到电机转轴的控制器中，对速度差进行比例增益放大，得到控制器输出的控制量；步骤5，对所述输出的控制量，以柔性铰链片组的固有频率为中心频率进行陷波滤波；对PD控制器输出的控制量进行陷波滤波处理，需要将柔性铰链环产生的扰动力与运动规划的加速度信息在控制量中进行补偿；步骤6，将所述扰动差的估计值、运动规划的加速度信息补偿到步骤5处理得到的控制量中，得到设计的控制量，此时所述的闭环控制系统转换为无扰动的工作平台控制系统。进一步，最大转矩由振镜电机的力常数乘以持续电流求得；最大扰动力获取方法为：施加一恒定转矩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可计算出最大扰动力df；电机转轴的惯量为Im。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，结构上的优化简化了补偿控制方法；3、柔性铰链环的结构设计简单，使用成本较低；4、控制方法基于刚柔耦合振镜电机的设计，将运动副摩擦力的扰动转变为柔性铰链环的动态变形，通过ESO估计出扰动信息，进行补偿控制，使振镜电机的运动等效为无摩擦的理想旋转运动，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；5、通过对振镜电机控制器输出的控制量进行滤波，同时将ESO估计出的扰动信息与运动规划的加速度信息补偿进控制量中，既将柔性铰链片组产生的振动滤除，又保证控制器输出的控制量可以起作用；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振镜电机的整体结构示意图。图2是刚柔耦合振镜电机剖面示意图。图3是定子的组合示意图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚柔耦合振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和光栅编码器；/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所述光栅编码器用于测量所述转轴的角位移量。/n

【技术特征摘要】
1.一种刚柔耦合振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合振镜电机包括：定子、相对于所述定子转动的转子、轴承座和光栅编码器；
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；
所述光栅编码器用于测量所述转轴的角位移量。


2.根据权利要求1所述的刚柔耦合振镜电机，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。


4.根据权利要求1-3任一项所述的刚柔耦合振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合振镜电机还包括：机座、固定在机座上的读数头安装架和固定在所述转轴上的编码盘安装架；
所述光栅编码器包括：编码器码盘和与所述编码器码盘组合使用的光栅读数头；
所述编码器码盘固定在编码盘安装架上；
所述光栅读数头固定在所述读数头安装架上。


5.根据权利要求1-3任一项所述的刚柔耦合振镜电机，其特征在于，所述刚柔耦合振镜电机还包括：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振镜电机的方法，其特征在于，所述方法需要对运动规划的最大加速度做限制，所述最大加速度由驱动单元正常运行时能产生的最大转矩减去最大扰动力再除以电机转子惯量得到；
所述方法还包括以下步骤：
步骤1，设置电机转轴的反馈，以转子的驱动单元为执行器，建立所...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦胜强，杨志军，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