一种双电机伺服系统的输入量化控制方法和系统技术方案

本发明专利技术提供的双电机伺服系统的输入控制方法和系统，通过采用双电机伺服系统的状态模型，来得到双电机伺服系统的控制输入。在得到双电机伺服系统的控制输入之后，还需要进一步判断双电机伺服系统是否存在齿隙。若存在齿隙，则根据电机与负载的转角差以及电机偏置力矩的最大值，确定电机的时变偏置力矩，进而根据时变偏置力矩和得到的控制输入，确定各电机的输入。若双电机伺服系统不存在齿隙，则直接将控制输入的均分值作为各电机的输入，以实现对两个电机的同步驱动，以根据是否存在齿隙选择不同的电机输入约束条件，能够在解决齿隙阶段负载不可控问题的同时，对双电机驱动伺服系统的输出进行精确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种双电机伺服系统的输入量化控制方法和系统
本专利技术涉及机电控制
，特别是涉及一种双电机伺服系统的输入量化控制方法和系统。
技术介绍
随着现代科学技术与工业的快速发展，军事和工农业等领域对大惯量大功率系统的现实需求日益增加。受技术和造价等因素的限制，单个电机的功率难以做得足够大，导致其对大惯量负载的驱动能力不足。针对这一问题，可以采用多个小功率电机共同驱动大惯量负载的方式来提高伺服系统的驱动能力。与单电机伺服系统相比，多电机伺服系统不仅提高了系统的驱动能力，还降低了单个电机的设计难度和成本。然而，多电机伺服系统由于需要齿轮传动环节实现多个电机对负载的共同驱动，不可避免的会引入齿隙、摩擦等非线性。传统的PID控制方法对一般低阶系统有一定的抗扰动能力，但是其误差动态行为的缺陷很明显，尤其是当系统中存在未建模动态和死区非线性等因素时，其误差动态行为的缺陷更加明显。因此，在保证多电机伺服系统跟踪精度的同时，如何设计合适的控制器以规定多电机伺服系统跟踪误差的过渡过程，已经成为电机控制中的一个研究热点。针对电机伺服系统跟踪控制的经典方法有：滑模变结构控制，反步控制，动态面控制等。滑模变结构控制的优点为响应速度快、抗扰能力强、实现简单，缺点为系统跟踪误差在接近零稳态时存在高频抖振现象。反步控制的优点是采用程序化的设计步骤，单步的设计思路较为简单，其缺陷有两点：一是要求非线性系统结构为严格负反馈形式，二是难以处理高阶系统的“微分爆炸”现象。Swaroop等在反步法的基础上引入一阶滤波器设计了动态面控制，使控制器的设计大为简化。针对系统的参数不确定性和内部扰动，Wu等人结合扰动观测器和动态面控制设计的控制器保证了跟踪误差的有界性。针对含有未知非线性和不可测状态的伺服系统，Zhang等人设计的基于参数化观测器的动态面控制方法保证了系统跟踪误差的收敛性。但是以上方法大多没有对跟踪误差的瞬态行为进行约束。而基于误差变换的预定性能控制的设计比较复杂，Ilchmann等人设计了一种形式简单的带有性能指标约束的控制方法，同时实现了系统输出对参考信号的近似跟踪，且系统跟踪误差的瞬态不会超过一个带有性能指标约束区域。最近，这种带有性能指标约束的控制已成功应用于二质量系统，机器人系统和转台伺服系统等。Hackl等人在假定跟踪误差及其导数可以直接用于反馈的前提下，实现了相对阶为2的系统的带有性能指标约束的控制，该方法同时保证了系统跟踪误差及其导数的预定性能。此外，实际中电机伺服系统的控制柜多采用数字式的处理器，控制量的计算和传输也是数字式的，因此考虑系统输入存在量化时如何设计电机端的量化输入也是许多研究人员关注的问题。针对带有不确定参数的非线性系统，Zhou等人基于反步法设计了自适应的量化输入控制器，实现了对给定参考信号的精确跟踪，并给出了不同量化器下量化误差上界的统一计算公式。当伺服系统中同时存在齿隙非线性和输入量化时，以上控制方法难以同时约束系统跟踪误差的瞬态和稳态行为。因此，现有技术中，并不能对双电机驱动伺服系统的输出进行精确控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双电机伺服系统的输入量化控制方法和系统，以实现精确控制双电机驱动伺服系统输出的目的。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种双电机伺服系统的输入量化控制方法，包括：获取双电机伺服系统的结构参数；所述结构参数包括：电机的位置和速度、电机的转动惯量、电机的粘性摩擦系数、负载的位置和速度、负载的转动惯量、负载的粘性摩擦系数以及电机与负载间的传递力矩；根据所述结构参数，构建所述双电机伺服系统的状态模型；获取所述双电机伺服系统的控制参数；所述控制参数包括：速度跟踪误差、位置跟踪误差、辅助误差和等效粘性摩擦系数；根据所述控制参数和所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入；判断所述双电机伺服系统是否存在齿隙；若所述双电机伺服系统存在齿隙，则获取电机与负载的转角差以及电机偏置力矩的最大值；根据所述电机与负载的转角差以及所述电机偏置力矩的最大值，确定电机的时变偏置力矩；根据所述时变偏置力矩和所述控制输入，确定各电机的输入，以实现两个电机对负载的驱动；若所述双电机伺服系统不存在齿隙，则将所述控制输入的均分值作为各电机的输入，以实现两个电机对负载的同步驱动。可选的，所述根据所述时变偏置力矩和所述控制输入，确定各电机的输入，以实现对两个电机的同步驱动，具体包括：采用一致量化器对所述控制输入进行量化，得到量化后的控制输入；根据所述量化后的控制输入和所述时变偏置力矩，确定各电机的输入，以实现两个电机对负载的驱动。可选的，所述采用一致量化器对所述控制输入进行量化，得到量化后的控制输入，具体包括：根据所述一致量化器的参数，确定所述一致量化器的量化误差的上界的最小值；根据所述量化误差的上界的最小值和所述控制输入，对量化误差进行补偿，确定量化输入；将所确定的量化输入作为所述一致量化器的输入，得到量化后的控制输入。可选的，所述根据所述控制参数和所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入，具体包括：判断是否能获取负载和双电机的粘性摩擦系数；若能获取所述负载和双电机的粘性摩擦系数，则根据所述速度跟踪误差、所述位置跟踪误差、所述辅助误差和所述等效粘性摩擦系数以及所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入；反之，则根据所述速度跟踪误差、所述位置跟踪误差和所述辅助误差以及所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入。可选的，当能获取负载和双电机的粘性摩擦系数时，所述双电机伺服系统的控制输入为：当不能获取负载和双电机的粘性摩擦系数时，所述双电机伺服系统的控制输入为：其中，Jl+2Jm为等效转动惯量，Jl为负载的转动惯量，Jm为电机的转动惯量，δ为综合因子，为速度跟踪误差，es(t)为虚拟跟踪误差，bl+2bm为负载和双电机间的等效粘性摩擦系数，bl为负载的粘性摩擦系数，bm为电机的粘性摩擦系数，为加速度，x2为系统状态变量，F(t)为辅助误差稳态和过程的约束函数，F(t)＝A·e-at+b，e-at为约束函数的指数衰减项，t为系统运行时刻，A、a和b均为性能指标约束边界的参数，且A、a和b均为大于零的常数。可选的，所述状态模型为：其中，θmi为电机i的位置，i＝1,2，为电机i的速度，为电机i的加速度，θl为负载的位置，为负载的速度，为负载的速度，Jm为电机的转动惯量，Jl为负载的转动惯量，bmi为电机的粘性摩擦系数，bl为负载的粘性摩擦系数，umi(t)为电机i的输入，τi(t)为电机与负载之间的传递力矩，Δθi(t)为电机与负载转动角度之间的差值，Δθi(t)＝θmi(t)-miθl(t)，θmi(t)为电机的转动角度，θl(t)为负载的转动角度，α为电机与负载间的齿隙宽度，α≥0，ki为电机i与负载齿轮接触时的刚度系数，ci为电机i传递力矩的阻尼系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双电机伺服系统的输入控制方法，其特征在于，包括：/n获取双电机伺服系统的结构参数；所述结构参数包括：电机的位置和速度、电机的转动惯量、电机的粘性摩擦系数、负载的位置和速度、负载的转动惯量、负载的粘性摩擦系数以及电机与负载间的传递力矩；/n根据所述结构参数，构建所述双电机伺服系统的状态模型；/n获取所述双电机伺服系统的控制参数；所述控制参数包括：速度跟踪误差、位置跟踪误差、辅助误差和等效粘性摩擦系数；/n根据所述控制参数和所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入；/n判断所述双电机伺服系统是否存在齿隙；/n若所述双电机伺服系统存在齿隙，则获取电机与负载的转角差以及电机偏置力矩的最大值；/n根据所述电机与负载的转角差以及所述电机偏置力矩的最大值，确定电机的时变偏置力矩；/n根据所述时变偏置力矩和所述控制输入，确定各电机的输入，以实现两个电机对负载的驱动；/n若所述双电机伺服系统不存在齿隙，则将所述控制输入的均分值作为各电机的输入，以实现两个电机对负载的同步驱动。/n

【技术特征摘要】
1.一种双电机伺服系统的输入控制方法，其特征在于，包括：
获取双电机伺服系统的结构参数；所述结构参数包括：电机的位置和速度、电机的转动惯量、电机的粘性摩擦系数、负载的位置和速度、负载的转动惯量、负载的粘性摩擦系数以及电机与负载间的传递力矩；
根据所述结构参数，构建所述双电机伺服系统的状态模型；
获取所述双电机伺服系统的控制参数；所述控制参数包括：速度跟踪误差、位置跟踪误差、辅助误差和等效粘性摩擦系数；
根据所述控制参数和所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入；
判断所述双电机伺服系统是否存在齿隙；
若所述双电机伺服系统存在齿隙，则获取电机与负载的转角差以及电机偏置力矩的最大值；
根据所述电机与负载的转角差以及所述电机偏置力矩的最大值，确定电机的时变偏置力矩；
根据所述时变偏置力矩和所述控制输入，确定各电机的输入，以实现两个电机对负载的驱动；
若所述双电机伺服系统不存在齿隙，则将所述控制输入的均分值作为各电机的输入，以实现两个电机对负载的同步驱动。


2.根据权利要求1所述的一种双电机伺服系统的输入控制方法，其特征在于，所述根据所述时变偏置力矩和所述控制输入，确定各电机的输入，以实现对两个电机的同步驱动，具体包括：
采用一致量化器对所述控制输入进行量化，得到量化后的控制输入；
根据所述量化后的控制输入和所述时变偏置力矩，确定各电机的输入，以实现对两个电机对负载的驱动。


3.根据权利要求2所述的一种双电机伺服系统的输入控制方法，其特征在于，所述采用一致量化器对所述控制输入进行量化，得到量化后的控制输入，具体包括：
根据所述一致量化器的参数，确定所述一致量化器的量化误差的上界的最小值；
根据所述量化误差的上界的最小值和所述控制输入，对量化误差进行补偿，确定量化输入；
将所确定的量化输入作为所述一致量化器的输入，得到量化后的控制输入。


4.根据权利要求1所述的一种双电机伺服系统的输入量化控制方法，其特征在于，所述根据所述控制参数和所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入，具体包括：
判断是否能获取负载和双电机的粘性摩擦系数；
若能获取所述负载和双电机的粘性摩擦系数，则根据所述速度跟踪误差、所述位置跟踪误差、所述辅助误差、所述等效粘性摩擦系数以及所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入；
反之，则根据所述速度跟踪误差、所述位置跟踪误差、所述辅助误差以及所述状态模型，得到所述双电机伺服系统的控制输入。


5.根据权利要求4所述的一种双电机伺服系统的输入量化控制方法，其特征在于，当能获取负载和双电机的粘性摩擦系数时，所述双电机伺服系统的控制输入为：



当不能获取负载和双电机粘性摩擦系数时，所述双电机伺服系统的控制输入为：



其中，Jl+2Jm为等效转动惯量，Jl为负载的转动惯量，Jm为电机的转动惯量，δ为综合因子，为速度跟踪误差，es(t)为虚拟跟踪误差，bl+2bm为负载和双电机间的等效粘性摩擦系数，bl为负载的粘性摩擦系数，bm为电机的粘性摩擦系数，为加速度，x2为系统状态变量，F(t)为辅助误差稳态和过程的约束函数，F(t)＝A·e-at+b，e-at为约束函数的指数衰减项，t为系统运行时刻，A、a和b均为性能指标约束边界的参数，且A、a和b均为大于零的常数。


6.根据权利要求1所述的一种双电机伺服系统的...

【专利技术属性】
技术研发人员：任雪梅，成云，曾添一，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11