一种全数字式的双伺服电机消隙系统及其控制方法与流程

本发明涉及地面遥测接收系统伺服控制领域，更为具体的讲，涉及一种全数字式的双伺服电机消隙系统及其控制方法。

背景技术：

地面遥测接收系统通常使用大口径的抛物面天线为接收单元，要求伺服系统具有很高的驱动力矩和低速平稳性。常用的伺服电机额定转速较高，输出力矩较小，而负载则要求转速较低，驱动力矩较大，因此需要在电机和负载之间加入一个很大的减速器，它一方面放大力矩另一方面降低转速。但是减速器的引入会使传动链路存在齿隙，齿隙用来防止由于误差和热变形而使轮齿卡住，并且给齿面间的润滑油膜留有空间，但齿隙同时又给机构在反转时带来空程，使机构不能准确定位，造成伺服系统指向精度降低。为了减少或消除齿隙给机构带来的不利影响，需要采用消隙方法，通常可采用机械消隙或电消隙的方法解决。双电机消隙传动方式的实质是利用伺服控制电路使传动系统在启动和换向的过程中，两套完全一致的减速机构的输出齿轮分别贴紧在主轴大齿轮的相反的帖合面上，使主轴大齿轮受到偏置力矩，不能在齿隙中来回摆动，从而达到消隙的目的。机械消隙传动的方法包括双片齿轮加弹簧传动，利用偏心套调节齿轮中心距，以及弹簧预加载的办法。机械消隙传动只能用于传递较小的力矩，而对于较大力矩的动力传动最好采用电消隙传动的方法解决。由于天线经常工作在零速附近，传动链中齿隙的存在会使得传动产生相应滞后，甚至会产生极限环振荡，在动力传动链中，传统的机械消隙已经无法满足精度要求，电消隙技术具有更多优越性。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术中存在的问题，提出一种全数字式的双伺服电机消隙系统及其控制方法，极大地提高消隙的精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种全数字式的双伺服电机消隙系统，其特征在于：包括伺服控制模块、伺服驱动模块和传感模块；

所述伺服控制模块通过现场总线传递速度控制命令至伺服驱动模块；

所述伺服驱动模块根据速度控制命令发送驱动信号至伺服电机并接收传感模块传来的速度反馈信号；

所述传感模块传递伺服电机的速度反馈信号至伺服驱动模块，同时传递位置反馈信号至伺服控制模块。

所述伺服控制模块包括通用工控机、串口通信卡和can卡。

所述伺服控制模块包括由前馈控制和反馈控制结合成的复合控制单元，所述复合控制单元通过误差控制的增量式pid控制。

所述伺服驱动模块包括消隙控制单元和电机驱动单元，所述消隙控制单元用于消除伺服电机的齿隙误差，所述电机驱动单元用于发送驱动信号给伺服电机。

所述消隙控制单元为通用嵌入式通信控制板，设置有偏置电流控制器，所述偏置电流控制器通过大于200hz的频率控制主伺服电机速度以及控制从伺服电机的力矩与电流关系，消除齿隙误差。

所述现场总线使用的是can总线，所述串行总线使用的是rs422总线，构成全数字式控制系统。

一种全数字式的双伺服电机消隙系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、伺服控制步骤：计算伺服电机运行速度，并将速度控制命令发送至伺服驱动步骤；

二、伺服驱动步骤：接收来自伺服控制步骤的速度控制命令，驱动伺服电机；

三、传感反馈步骤：采集伺服电机的速度信号和位置信号，将速度信号反馈至伺服驱动步骤，并将位置信号反馈至伺服控制步骤。

所述伺服驱动步骤包括以下步骤：

步骤1，配置驱动器初始工作模式，向伺服电机使能；

步骤2，接收主驱动器的反馈，读取主驱动器工作电流；

步骤3，收到速度控制命令，根据运动方向确定主伺服电机和从伺服电机；

步骤4，配置驱动器工作模式，向主驱动器发送速度控制命令；

步骤5，计算从驱动器的消隙电流；

步骤6，向从驱动器发送电流控制命令。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

伺服控制模块包括复合控制单元，复合控制单元通过误差控制的增量式pid控制，构成了电流环、速度环、位置环三环控制的双电机伺服系统模型，在误差控制的基础上，引入前馈补偿通道，在不影响系统稳定性的情况下很大程度上减小了伺服系统的跟踪误差，提高了控制精度；偏置电流控制器，经消隙控制算法对两个电机的速度和电流实时控制，可以实现消除齿轮传递间隙的功能。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明中前馈控制系统结构图。

图3为本发明中消隙控制模块的工作流程图。

图4为本发明中电机驱动力矩与负载速度关系图。

图5为本发明中修正后电机驱动力矩与负载速度关系图。

图6为实施例1中速度环上升及下降沿阶跃响应曲线。

图7为实施例1中单电机电流环与速度环阶跃响应曲线。

图8为实施例2中未消隙时位置环阶跃响应曲线。

图9为实施例3中消隙控制时位置环阶跃响应曲线。

具体实施方式

一种全数字式的双伺服电机消隙系统，包括伺服控制模块、伺服驱动模块和传感模块；

所述伺服控制模块通过现场总线传递速度控制命令至伺服驱动模块；

所述伺服驱动模块包括消隙控制单元和电机驱动单元，伺服驱动模块发送驱动信号至伺服电机并接收传感模块传来的速度反馈信号；

所述传感模块传递伺服电机的速度反馈信号至伺服驱动模块，同时传递位置反馈信号至伺服控制模块。

所述伺服控制模块包括通用工控机、串口通信卡和can卡。

所述伺服控制模块包括由前馈控制和反馈控制结合成的复合控制单元，所述复合控制单元通过误差控制的增量式pid控制。

所述消隙控制单元为通用嵌入式通信控制板，设置有偏置电流控制器，所述偏置电流控制器通过大于200hz的频率控制主伺服电机速度以及控制从伺服电机的力矩与电流关系，消除齿隙误差。

所述现场总线使用的是can总线，所述串行总线使用的是rs422总线，构成全数字式控制系统。

一种全数字式的双伺服电机消隙系统的控制方法，包括以下步骤：

一、伺服控制步骤：计算伺服电机运行速度，并将速度控制命令发送至伺服驱动步骤；

二、伺服驱动步骤：接收来自伺服控制步骤的速度控制命令，驱动伺服电机；

三、传感反馈步骤：采集伺服电机的速度信号和位置信号，将速度信号反馈至伺服驱动步骤，并将位置信号反馈至伺服控制步骤。

所述伺服驱动步骤包括以下步骤：

步骤1，配置驱动器初始工作模式，向伺服电机使能；

步骤2，接收主驱动器的反馈，读取主驱动器工作电流；

步骤3，收到速度控制命令，根据运动方向确定主伺服电机和从伺服电机；

步骤4，配置驱动器工作模式，向主驱动器发送速度控制命令；

步骤5，计算从驱动器的消隙电流；

步骤6，向从驱动器发送电流控制命令。

系统中首选pid控制算法，同时在pid控制的基础上引入前馈控制，在不影响系统稳定性的情况下大大减小了伺服系统的跟踪误差，提高了控制精度。由于本系统是采用的是数字计算机及rs422、can总线组成的数字系统，伺服控制采用增量式pid控制器，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。

（1）

其中：kp为比例增益，ki为积分系数，kd为微分系数，u(k)为控制量，e(k-1)和e(k)分别为第(k-1)和第k控制周期所得的偏差。

根据递推原理可得第k次的控制增量。

（2）

由于计算机控制系统采用恒定的采样周期t，一旦确定了kp、ki、kd，只要使用前三次测量值的偏差量，即可由式(2)求出u(k)的控制增量。

当伺服控制系统处于跟踪状态时，要求其动态跟踪误差必须很小。在这种情况下，通常引入前馈控制的方式。前馈控制就是在误差控制的基础上，引入前馈补偿通道。它实际是一种开环+闭环控制，不等到输出量发生变化并形成偏差后才产生纠正偏离的控制作用，而是在控制作用施加到系统的同时就产生作用，不受系统延时的影响，比反馈控制迅速。另外，由于其传递函数直接作用于系统的输入，对系统的输入具有预见性，所以很容易将系统跟踪精度提高几倍乃至几十倍，但又不影响原闭环系统的稳定性。利用前馈控制可以较好地解决一般闭环伺服系统普遍存在的跟踪精度与稳定性之间的矛盾。在控制系统中，同时使用前馈控制和反馈控制的方法称为复合控制。

前馈跟踪控制系统的结构图如图2所示。图中wf(s)是前馈控制器，g(s)为闭环系统总的开环传递函数。从图2可以得到前馈控制系统闭环传递函数为

（3）

消隙控制电路主要由c8051f040单片计算机和外围电路组成。外围电路包含单片机的最小电路、两个rs422驱动电路及一个can总线驱动电路。驱动单元采用一个独立的消隙控制电路配合两个以色列elmo系列电机驱动器。消隙控制电路的工作流程如图3所示。

双电机消隙传动时利用两套相同的电机，分别带动两套完全相同的减速器，再由减速器的输出轴小齿轮带动负载轴大齿轮转动，通过伺服控制电路,使大齿轮在启动和换向过程中始终受到偏置力矩的作用，两个小齿轮夹紧大齿轮，大齿轮无法在齿轮间隙中来回摆动，从而达到消除间隙，提高伺服系统精度的目的。双电机消隙系统工作时，两个电机（电机1和电机2）的输出转矩与负载驱动速度关系曲线如图4所示。从图中可看到，永远不会出现两个电机输出转矩同时为零的情况，也就是说，任何时候两个电机至少有一个会对天线座齿轮施加不为零的转矩，在此转矩的作用下，天线座的运动间隙就不可能存在。

当正向运动时，电机1和驱动器1为主驱动系统，电机2和驱动器2为从驱动系统，反向运动时主从驱动系统互换。主驱动器工作于速度模式，从驱动器工作于电流（力矩）模式。

电机驱动器工作于速度模式时，电流环是速度环的内环。当对驱动器施加某个速度命令后，驱动器会通过快速调节电流使电机拥有相应的运动速度。elmo驱动器速度环是闭环工作过程（通过电流调节达到命令速度），4khz电流环工作带宽可以确保驱动电流会根据负载扰动及从电机的阻力力矩实时变化。通过消隙控制单元可以实时读取电机驱动器的电流i1。

电机驱动器工作于电流（力矩）模式时，电机输出转矩和电机驱动电流之间是良好的线性关系，只要精确地控制电机电流，也就达到了精确控制电机输出转矩的目的。系统施加相应的偏置电流（力矩）io。

根据图4，从驱动器的设定电流为i2=i1-io。当系统运动在低速或换向时，始终有一个与主电机相反的偏置力矩存在，保证系统的无齿隙传动。随着系统运动速度的增加，从电机将从阻力源变成动力源，两个电机合力驱动负载运动。由于从电机驱动电流总是与主电机驱动电流相差偏置电流io，从电机始终没有发挥其应有的功率输出，造成了功率浪费。

双电机消隙主要在低速或换向时起消除齿隙的作用，在系统达到某速度v0时，可以让从电机输出与主电机相同的力矩，从而减小对主电机的功率损耗。当速度给定为vx时，从驱动器的设定电流为

i2=i1-io（1-vx/v0）（4）

当vx大于v0时，令i2=i1。通过线性的改变偏置电流io后，系统的输出转矩与负载驱动速度关系曲线如图5所示。

双电机消隙的特性主要体现在io和v0参数。实际调试中io设定为额定电流的20%～30%，v0设定为额定转速的10%～20%，消隙控制的频率大于200hz时，系统可以达到消隙功能并具有良好的稳定性。

实施例1

当双电机消隙伺服与负载（天线座及天线面）整体安装完成后进行伺服系统调试。本系统采用电机为直流伺服电机，电机额定转速为1500r/min，额定电压60v，额定电流8a，12v•kr/min测速机反馈。在进行双电机消隙系统调试前，先通过elmocomposer的tuningthecurrentloop和tuningthevelocityloop工具对单个电机进行电流环和速度环的调试，使电流环和速度环的响应满足快度性和收敛性的要求。图6所示为速度环上升及下降沿阶跃响应曲线图，图7所示为单电机电流环与速度环阶跃响应曲线。

实施例2

位置环是系统正常工作时的主要环路，在采用pid反馈加前馈的控制方式时，伺服系统位置闭环特性主要取决于系统的上升时间及稳态误差表示。本系统在单电机工作时，根据位置环阶跃响应（1°）曲线（如图8所示），系统已经克服了超调并达到了恰收敛性（上长时间只有0.43s），但是到达目标位置后，位置闭环进行了稳态震荡，其稳态误差达0.1°。无法满足毫米波段遥测通信需求。

实施例3

为验证基于偏置电流的双电机消隙算法对系统定位精度的影响，在例2的控制算法中加入双电机消隙控制后，消隙两个电机同时对负载进行驱动，拐点电流i拐=1.2a，偏置电流i偏=0.55a。位置环阶跃响应曲线如图9所示，系统上升时间与单电机一致，但是到达目标位置后，其稳态误差只有0.006°，可以满足高精度伺服系统精确定位需求。