专利名称：一种消除伺服系统抖动的电磁装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种解决伺服系统的抖动的方法，属于伺服系统控制系统设计技术。
背景技术：
随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的惊人发展，伺 服系统的研究和应用，自20世纪70年代末以来，取得了举世瞩目的进展，已具备有宽调速 范围、高稳速精度、快动态响应及四象限运行等良好的技术性能。伺服系统工作时，要求系 统的输出能平稳、快速和准确地跟随输入指令的动作。新材料、新器件、新技术不断涌现， 高、精、尖伺服系统的需求日益扩大，但抖动是伺服系统常见的问题，也是制约伺服系统向 高精度和快速响应特性发展的瓶颈，因此消除伺服系统的抖动迫在眉睫。伺服系统间隙主要包括两个方面1)电机与减速器输出轴之间的间隙，2)减速 器输出轴与位置测量传感器之间的间隙。电机与减速器输出轴之间的间隙特性，导致电机 正反转切换时，引起伺服系统产生相角滞后，齿系碰撞较强发出噪音，长期运行导致齿系形 变，恶化系统特性并且降低使用寿命；一般情况下，位置测量传感器的阻尼很小，在减速器 输出轴与位置测量传感器之间的间隙中浮动，从而控制量随之不断变化，导致伺服系统抖 动。增加阻尼器与控制律设计是解决伺服系统抖动问题的两种主要方式。对于一般要求不高的伺服控制系统，频带比较窄，只要传动系统设计的刚度较大， 结构谐振频率远大于闭环上限的频率，那么结构谐振问题并不突出。随着科学技术的发展， 对控制系统的精度和响应快速性要求愈来愈高，这就必须提高控制系统的频带宽度，从而 导致结构谐振频率逐渐接近控制系统的带宽，甚至可能落入带宽之中，使系统产生自激振 荡而无法工作，或使结构损坏。因此引入了阻尼器，以增加伺服系统的刚度，提高结构谐振 频率，削弱自激振荡对伺服系统的影响。当减速器输出轴带动位置测量传感器沿某方向转 动时，它们之间的齿系处于啮合状态，位置测量传感器能实时反馈减速器输出轴的位置信 号。但阻尼器增加的只是单向阻尼，当减速器输出轴转动方向改变时，此时阻尼的方向并没 有改变，这就导致位置测量传感器与减速器输出轴之间的齿系出于非啮合状态，同样导致 伺服系统的抖动。因此，阻尼器可以削弱伺服系统的自激振荡，减小抖动的程度，但并不能 完全消除抖动问题。控制律的设计主要是通过增加系统阻尼，降低超调量，改善伺服系统的动态特性。 对减速器输出轴、传动机构和位置测量传感器等机械结构的非线性环节，用描述函数法或 其它算法进行线性化处理，然后采用反馈或前馈等控制策略进行有效的早期补偿，从而减 小伺服系统的抖动程度。但一般情况下，位置测量传感器的阻尼很小，致使位置测量传感器 在配对齿轮的传动间隙中浮动，位置测量传感器的这种浮动状态对控制系统来说是一种不 可控状态。在控制律设计时，可以人为地增加一个控制死区，在死区内不产生控制量，这样 可以削弱伺服系统的抖动程度，但这个死区的增加，降低了伺服系统的定位精度，使伺服系 统抖动的削弱与定位精度的提高产生了矛盾。减速器输出轴与位置测量传感器之间间隙的存在，在减速器输出轴转动时，位置
3测量传感器在齿隙中浮动，不能实时反馈减速器输出轴的位置信号。当减速器输出轴沿某 一方向转动一定角度后，位置测量传感器反馈量才有变化，直到一定角度，减速器输出轴停 止转动，但位置测量传感器在惯性作用下继续转动，使电机产生反向加速度，于是减速器输 出轴反方向转动，如此往复伺服系统呈抖动状态。基于以上在解决伺服系统抖动问题时，要综合考虑各方面的因素，找出引起抖动 的主要原因，对症下药。因此，在控制指标不变这个前提下，剖析引起抖动的关键因素并采 取有效的解决措施，成为解决伺服系统抖动的基本出发点。
发明内容
发明目的本发明要解决的技术问题是提供一种消除伺服系统抖动的方法及专用电磁装置， 以解决消除伺服系统的抖动问题。技术方案本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案一种用于消除伺服系统抖动的电磁装置，包括永磁体、金属壳、第一电磁铁、第二 电磁铁、输出轴、连杆以及电源；所述金属壳为半圆环形，所述永磁体设置于金属壳内与金 属壳圆心相垂直处，永磁体的一端与金属壳固定连接，永磁体的另一端依次连接连杆、输出 轴，第一电磁铁与第二电磁铁的构造相同，分别设置于金属壳的两端，所述两个电磁铁的同 级互相连接，所述电源用于向两个电磁铁供电。本发明的消除伺服系统抖动的方法，步骤如下1、将所述电磁装置与位置测量传 感器同轴安装，通过控制电磁装置中电源的电压大小和方向，从而控制输出轴给位置测量 传感器施加一个与减速器输出轴转动方向相反的作用力，使减速器输出轴与位置测量传感 器齿系的一侧一直处于啮合状态，两者成近似刚性连接；II、对所述与减速器输出轴转动方向相反的作用力的控制设置一个不灵敏区，当 减速器输出轴的转速未超出不灵敏区时，反作用力方向与前一时刻保持不变；当减速器输 出轴的转速超出不灵敏区时，通过控制电压的方向使该反作用力的方向与减速器输出轴转 动方向相反。所述II步骤中不灵敏区的设置范围的大小与所述电磁装置的磁场力的大小成正 比，从而保持减速器输出轴与位置测量传感器齿系的一侧一直处于啮合状态。有益效果本发明在位置测量传感器轴上引入一个输出力可控的电磁结构。据此电磁结构对 位置测量传感器施加适当的作用力，可以改善减速器输出轴与位置测量传感器之间的啮合 状态，实现近似刚性连接，消除伺服系统的抖动问题。
图1是齿轮系抽象结构图；图2是电机与减速器输出轴间隙特性图；图3是减速器输出轴与位置测量传感器间隙特性图；图4是本发明的消除伺服系统抖动的电磁装置结构示意图。
图4中标号名称4.永磁体，5.金属壳，6.第一电磁铁，7.第二电磁铁，8.输出轴， 9.连杆，10.电源。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明伺服系统间隙主要包括两个方面(结合附图1说明)1)电机1与减速器输出轴 2之间的间隙，2)减速器输出轴2与位置测量传感器3之间的间隙。间隙特性直接影响伺 服系统的控制性能，因此采用单变量法，对其具体分析。1)电机1与减速器输出轴2之间的间隙特性分析(结合附图2说明)假设减速器输出轴2在负载力矩T作用下，带动位置测量传感器3正向运动。位 置测量传感器3与减速器输出轴2刚性连接，因此减速器输出轴2的微弱摆动直接反馈到 控制器中，使电机反向加速度，这样减速器输出轴2与电机1在间隙中相对运动，并在某位 置相碰。此时，若电机转矩与负载力矩平衡，则减速器输出轴2稳定在此位置；若电机转矩 较小，则减速器输出轴2带动电机1继续正向运动，直到电机转矩与负载力矩平衡；若电机 转矩较大，则电机1带动减速器输出轴2反向运动，直到电机转矩与负载力矩平衡，在此过 程中减速器输出轴2有一个反向波动。上述三种情况，电机转矩与负载力矩均反向，所以电 机1左齿侧与减速器输出轴2右齿侧一直处于啮合状态，稳态时不会产生抖动，有利于提高 伺服系统的抗扰动能力，但间隙的存在，致使电机1正反转切换时，产生相角滞后，齿系碰 撞并发出噪音，长期运行导致齿系形变，恶化系统特性并且降低使用寿命。2)减速器输出轴2与位置测量传感器3之间的间隙特性分析(结合附图3说明)假设减速器输出轴2在负载力矩T作用下，带动电机1正向运动。位置测量传感 器3的阻力矩较小，在齿隙中处于浮动状态，因此减速器输出轴2转动时，位置测量传感器 3并不能立刻反馈此变化量，直到减速器输出轴2左齿侧与位置测量传感器3右齿侧啮合， 位置反馈量才有变化。位置偏差到一个适当值时，电机1输出转矩与负载力矩平衡，减速器 输出轴2停止转动。惯性的存在致使位置测量传感器3继续运动，于是产生额外的控制量， 电机1反向加速度。与上一个过程类似，当减速器输出轴2右齿侧与位置测量传感器3左 齿侧啮合时，位置反馈量才有变化，位置偏差到另一个适当值时，电机1输出转矩与负载力 矩平衡，减速器输出轴2停止转动。惯性的存在致使位置测量传感器3继续运动，于是产生 额外的控制量，电机1正向加速度。如此往复，伺服系统呈抖动状态。综上，减速器输出轴2与位置测量传感器3之间的间隙是导致伺服系统抖动的主 要原因，因此需对此间隙进行处理。对位置测量传感器3施加与减速器输出轴2运动方向 相反的作用力，可以抵消减速器输出轴2对位置测量传感器3的一部分冲量，由动量定理可 知位置测量传感器3的速度变化量相对减小，同时在此力作用下作减速运动，相对位移减 小，实现减速器输出轴2与位置测量传感器3近似刚性连接，即减速器输出轴2正转，减速 器输出轴2右齿侧与位置测量传感器3左齿侧处于啮合状态；减速器输出轴2反转，减速器 输出轴2左齿侧与位置测量传感器3右齿侧处于啮合状态。稳态下，若负载发生微弱变化， 减速器输出轴2亦随之产生微弱摆动。如果施加的反作用力设计得过于灵敏，减速器输出 轴2正反微弱摆动时不断切换方向，这样不但不能达到预想的消抖效果，而且位置偏差会 加上一个减速器输出轴2与位置测量传感器3之间间隙的偏差，使抖动加剧恶化控制品质。因此，需要设计一个不灵敏区，当减速器输出轴2转速超出不灵敏区域时，才改变反作用力 的方向；否则，保持不变，不灵敏区的设置范围的大小与所述电磁装置的磁场力的大小成正 比，即当磁场力大时，则将不灵敏区的范围设置得大一些，当磁场力小时，则将不灵敏区的 范围设置得小一些，原则是保持减速器输出轴与位置测量传感器齿系的一侧一直处于啮合 状态，这样可以有效抑制负载微弱变化时的抖动。 附图4是本发明的专用电磁装置结构示意图，包括永磁体4，金属壳5，第一电磁铁 6，第二电磁铁7，输出轴8，连杆9，电源10。此结构设计成力矩输出可控的电磁结构，类似于 表盘，但与表盘的力传动方式不同。普通表盘通过轴带动指针转动，此设计正好相反，连杆9 传输永磁体4的磁场力进而带动输出轴8转动。对电源10施加图示电压，电磁铁6和电磁 铁7在金属壳5内部产生磁场。永磁体4与电磁铁6的磁场方向相同，相互吸引，带动永磁 体4逆时针转动；永磁体4与电磁铁7的磁场方向相反，相互排斥，同样带动永磁体4逆时 针转动。永磁体4在此合磁场力的作用下，逆时针转动。逆时针转动一定角度后，电磁铁6 对其的吸引力变强，同时电磁铁7对其的排斥力变弱。由于电磁铁6与电磁铁7的构造相 同，它们在金属壳5内部的磁场分布也相同，增加的吸引力与减少的排斥力相抵消，合磁场 力保持不变。对电源10施加反向电压，永磁体4在合磁场力作用下，顺时针转动，特性类似 于逆时针。当电源10的供电电压恒定时，永磁体4在满行程范围内，输出轴8的输出扭矩 恒定；当电源10的供电电压方向相反时，输出轴8的输出扭矩方向也相反。所以，控制供电 电源10的大小和方向，输出轴8就可以输出大小与方向均可控的扭矩。因此，将此电磁结 构与位置测量传感器3同轴安装，并对其施加合理的控制策略，可以改善位置测量传感器3 至减速器输出轴2的传递特性，实现近似刚性连接，有效解决伺服系统的抖动问题，提高定 位精度。
权利要求
一种消除伺服系统抖动的电磁装置，其特征在于包括永磁体(4)、金属壳(5)、第一电磁铁(6)、第二电磁铁(7)、输出轴(8)、连杆(9)以及电源(10)；所述金属壳(5)为半圆环形，所述永磁体(4)设置于金属壳(5)内与金属壳(5)圆心相垂直处，永磁体(4)的一端与金属壳(5)固定连接，永磁体(4)的另一端依次连接连杆(9)、输出轴(8)，第一电磁铁(6)与第二电磁铁(7)的构造相同，分别设置于金属壳(5)的两端，所述两个电磁铁的同级互相连接，所述电源(10)用于向两个电磁铁供电。
2.一种应用如权利要求1所述电磁装置的消除伺服系统抖动的方法，其特征在于I、将所述电磁装置与位置测量传感器同轴安装，通过控制电磁装置中电源(10)的电 压大小和方向，从而控制输出轴(8)给位置测量传感器施加一个与减速器输出轴转动方向 相反的作用力，使减速器输出轴与位置测量传感器齿系的一侧一直处于啮合状态，两者成 近似刚性连接；II、对所述与减速器输出轴转动方向相反的作用力的控制设置一个不灵敏区，当减速 器输出轴的转速未超出不灵敏区时，反作用力方向与前一时刻保持不变；当减速器输出轴 的转速超出不灵敏区时，通过控制电压的方向使该反作用力的方向与减速器输出轴转动方 向相反。
3.根据权利要求2所述的消除伺服系统抖动的方法，其特征在于所述II步骤中不灵 敏区的设置范围的大小与所述电磁装置的磁场力的大小成正比，从而保持减速器输出轴与 位置测量传感器齿系的一侧一直处于啮合状态。
全文摘要
本发明公开了一种消除伺服系统抖动的电磁装置及方法。本发明的电磁装置包括永磁体(4)、金属壳(5)、第一电磁铁(6)、第二电磁铁(7)、输出轴(8)、连杆(9)以及电源(10)；将所述电磁装置与位置测量传感器同轴安装，通过控制电磁装置中电源(10)的电压大小和方向，输出轴(8)给位置测量传感器施加一个与减速器输出轴转动方向相反的作用力，使减速器输出轴与位置测量传感器齿系的一侧一直处于啮合状态，两者成近似刚性连接；本发明可以改善减速器输出轴与位置测量传感器之间的啮合状态，消除伺服系统的抖动问题。
文档编号H02K51/00GK101902176SQ20101011308
公开日2010年12月1日 申请日期2010年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者叶红兵, 陈欣 申请人:南京航空航天大学