双电机节能消隙控制方法技术

本发明专利技术涉及一种双电机节能消隙控制方法，属于机电控制技术领域。本发明专利技术通过施加偏置力矩与转速负反馈使得非线性双电机系统变为近似线性系统。而为了在保证跟踪效果的基础上尽量节约能量，设计了实时的偏置力矩。从电机的速度和加速度反馈构成闭环控制，使得偏置力矩的大小随着系统的状态而变化，即在开始和换向的时候施加较大的偏置力矩，而稳定运行时由于不需要偏置力矩，施加很小的值保持即可。为了解决双电机系统偏置力矩参数和PID控制器参数的设计问题，采用粒子群算法对多个控制器参数同时进行优化。本发明专利技术解决了双电机驱动系统的控制器优化设计问题，同时保证系统快速跟踪输入信号、稳态误差较小、双电机的同步、消除齿隙和减少能耗的效果。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种，属于机电控制
。本专利技术通过施加偏置力矩与转速负反馈使得非线性双电机系统变为近似线性系统。而为了在保证跟踪效果的基础上尽量节约能量，设计了实时的偏置力矩。从电机的速度和加速度反馈构成闭环控制，使得偏置力矩的大小随着系统的状态而变化，即在开始和换向的时候施加较大的偏置力矩，而稳定运行时由于不需要偏置力矩，施加很小的值保持即可。为了解决双电机系统偏置力矩参数和PID控制器参数的设计问题，采用粒子群算法对多个控制器参数同时进行优化。本专利技术解决了双电机驱动系统的控制器优化设计问题，同时保证系统快速跟踪输入信号、稳态误差较小、双电机的同步、消除齿隙和减少能耗的效果。【专利说明】
本专利技术涉及一种，属于机电控制
。
技术介绍
齿隙即齿轮之间的间隙，在需要用到齿轮进行减速的装置中不可避免的存在着齿隙。齿隙的存在使系统变为不完全可控系统，在齿轮间隙期，驱动电机与负载是不接触的，因此，系统在启动和换向的过程中由于齿隙非线性的影响，存在回程误差，严重影响了系统的动态特性和稳态精度。为了消除齿隙对系统的影响，国内外的学者作了很多研究，对于齿隙本身来讲，目前使用较多的有三种模型，即迟滞模型、死区模型和冲撞模型。位于输入输出端的齿隙，建模时一般米用迟滞模型；位于传动系统的中部的齿隙，建模时一般米用死区模型；冲撞模型相对比较繁琐，不易于建模，因此使用较少，但是由于涉及到碰撞后的速度和能量守恒定律，所以可以应用于预测控制中。消除齿隙的办法一般分为两种，一种是机械消隙，即改变机械结构来消除齿隙，中科院的胡超等人介绍了弹簧消隙的原理，并以天线为例提出了软件机械消隙方法，这种方法需要根据具体的系统进行软硬件的协同设计；另一种是电气消隙，即采用不同的控制方法来消除齿隙的影响，南京大学的胡维里教授及其学生提出了基于Backstepping方法的双电机冗余驱动系统控制；华中科技大学的杨静提出了一种具有耦合性质的同步以及消隙策略；还有加拿大纽布伦斯威克大学的Jinzhu Peng提出了含有死区的直流电机系统自适应神经网络控制；西安电子科技大学的胡晓璐提出了常值偏置力矩消隙法改进的方法。以上方法都可以在一定程度上改善齿隙的影响，但前三种方法设计繁琐，实际应用困难，后一种方法实施简单，但是能耗较高。因此，本文的主要工作是对施加的偏置力矩进行改进，使偏置力矩可以根据系统的状态进行变化，在保证稳定跟踪的前提下，尽可能的降低施加偏置力矩所消耗的能量，同时保证控制器的参数最优。常用的寻优算法包括传统的解析法、枚举法、随机法以及新兴的粒子群算法和遗传算法。在这些优化算法中，解析法要求目标函数连续光滑，且需要导数信息，这两个缺点将导致鲁棒性较差。枚举法计算效率太低，“指数爆炸”，对中等规模和适度复杂性的问题也常常无能为力。随机法出于效率考虑，搜索到一定程度便终止，所得结果一般尚不是最优解。而粒子群算法由于其操作简单性和运行高效性成为寻优问题中最常用的方法，因此，本专利技术采用粒子群算法，寻找控制器参数的最优值，既保证系统能克服齿隙的影响，快速的跟踪上输入信号、稳态误差较小，同时又可以降低施加偏置力矩所消耗的能量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服齿隙和不同步等非线性的影响，提供了一种，其中包括消除齿隙非线性、双电机间的同步控制和对多个控制器参数的优化，使系统的输出快速的跟踪上参考信号、系统的超调量和稳态误差都较小、提供偏置力矩消耗的能量较小。本专利技术的基本构思是施加偏置力矩与转速负反馈使得非线性双电机系统变为近似线性系统。而为了在保证跟踪效果的基础上尽量节约能量，设计了实时的偏置力矩。方法是从电机的速度和加速度反馈构成闭环控制，使得偏置力矩的大小随着系统的状态而变化，即在开始和换向的时候施加较大的偏置力矩，而稳定运行时由于不需要偏置力矩，施加很小的值保持即可。为了解决双电机系统偏置力矩参数和PID控制器参数的设计问题，采用粒子群算法对多个控制器参数同时进行优化。具体技术方案如下:步骤1，含齿隙的双电机驱动系统建模。根据机理建模的方法，根据电机的结构和物理定律，建立双电机驱动伺服系统的数学模型如下:【权利要求】1.一种，其特征在于:具体包括如下步骤: 步骤1，含齿隙的双电机驱动系统建模； 根据机理建模的方法，根据电机的结构和物理定律，建立双电机驱动伺服系统的数学模型如下: 【文档编号】H02P5/50GK103701368SQ201410015352【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日 【专利技术者】任雪梅, 吴珂, 李冬伍 申请人:北京理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双电机节能消隙控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，含齿隙的双电机驱动系统建模；根据机理建模的方法，根据电机的结构和物理定律，建立双电机驱动伺服系统的数学模型如下：KeiθiS+Ii(Ri+LiS)=Ui(JiS2+BniS)θi+KtiTg(Δθ)=KmiIi(JmS2+BmS)θm=Σi=12KtiTg(Δθ)i=1,2---(1)其中Kei＝nCei；Ji＝n2Jdi+Jci；Bni＝n2Bi+Bci；Kmi＝nK1；n:减速器传动比；Cei:两个电机的反电动势系数；θi：两个小齿轮的转角，为关于时间的函数；Ii：两个电机电枢回路的电流；Ri：两个电机电枢回路的电阻；Li：两个电机电枢回路的电感；Ui：两个电机电枢回路的电压；Jdi：两个电机的转动惯量；Jci：两个小齿轮的转动惯量；Bi：两个电机的等效粘性摩擦系数；Bci：两个小齿轮的等效粘性摩擦系数；Kti:两个小齿轮和大齿轮之间的粘性系数；K1：两个电机的力矩系数；θm：大齿轮的转角，为关于时间的函数,并且Δθ(t)＝θi(t)?θm(t)；大小齿轮间传递的力矩Tg(Δθ(t))为死区函数，表达式为：Tg(Δθ(t))=k(Δθ(t)-α)+cΔθ.(t),Δθ(t)≥α0,-α<Δθ(t)<αk(Δθ(t)+α)+cΔθ.(t),Δθ(t)≤-α---(2)式中k和c分别为主从动轮结合处的刚度系数和阻尼系数，α为齿隙的大小；步骤2，进行双电机同步控制；采用差速负反馈的工作方式，将两个电机的转速相减，得到速度差Δv＝v1?v2；其中，电机1和电机2的转速分别为将Δv乘以一个增益kt，进行线性放大后，将kt×Δv施加到电机2上，将kt×Δv反向后施加到电机1上；当v1＞v2时，电机1施加的是负作用，电机1的速度减小，电机2施加的是正作用，电机2的速度增加，直到两个电机达到同步；当v1＜v2时，电机1的速度增加，电机2的速度减小，直到两个电机达到同步；步骤3，基于状态反馈设计偏执力矩消息控制器：采用施加时变偏置力矩的方法消除齿隙，设计消隙控制器，分别对电机1和电机2施加大小相等、方向相反的偏置力矩进行消隙控制；所述的消隙控制方法具体为：根据齿隙之间的传递关系，对两个电机分别施加的控制量Ui与偏置力矩Te之间的关系为：Te≥aΣ12Ui---(3)其中a＞0表示消隙力度，越大表示消隙效果越好，但是相应的需要提供更多的能量；带入步骤1的双电机数学模型，Te表示为：Te≥a[Σ12(Jiθi+Biθi)+Jmθm+Bmθm]---(4)大小齿轮之间存在传动比，在两个电机型号相同的情况下，θm＝nθi，因此，令则上式重新写为：Te≥(Jin+a*Jm)αm+(Bin+a*Bm)ωm---(5)其中，ωm为负载的转速，αm为负载的加速度，n为大小齿轮间的传动比；通过上式得到，消隙转矩的大小和电机与负载的速度以及加速度有关，因此，将负载侧的速度和加速度引入到电机的控制端形成负反馈，构成两个小电机的速度闭环控制；分别对两个电机施加大小相同、方向相反的偏置力矩，其值如下：Te＝ks*ωm+ka*αm??????????(6)其中，ks，ka是反馈系数；步骤4，设计两个电机电流环输入的控制律u1和u2；控制律u1和u2具体形式为：u1=(pk2+pi2s+pd2*s)*ew1(t)+Te-kt*Δv---(7)u2=(pk2+pi2s+pd2*s)*ew2(t)+Te-kt*Δv---(8)其中，ew1(t)和ew2(t)是电机1和电机2的转速环误差值，ωm是主轴的转速值，等式右边第一项(pk2+pi2s+pd2*s)*ew1(t)和(pk2+pi2s+pd2*s)*ew2(t)分别表示电机1和电机2的转速环PID控制，pk2，pi2和pd2是转速控制的比例、积分和微分值； 第二项...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任雪梅，吴珂，李冬伍，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
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