一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法，首先建立双电机伺服随动系统的动力学模型；然后根据其动力学模型建立控制系统并获取控制输入；其次根据控制输入判断系统是否处于换向状态；最后系统不处于换向状态，则不是施加偏置力矩；若系统处于换向状态，则根据电机与负载当前角速度使用动量守恒定理预测驱动电机与负载齿轮碰撞速度，再通过构建的神经网络模型给出需要施加的偏置力矩大小。本发明专利技术将系统换向过程中的负载不可控变为可控，同时设计基于神经网络的自适应变偏置力矩补偿方法，减小恒定偏置力矩在不同工况下可能带来的抖动导致跟踪精度下降问题，实现双电机伺服系统的精确控制。实现双电机伺服系统的精确控制。实现双电机伺服系统的精确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法


[0001]本专利技术属于电机伺服控制
，特别是涉及一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法。

技术介绍

[0002]随着现代科学技术的发展，军事和工农业等领域对大关联大功率伺服系统需求日益增加。受技术与价格等因素限制，单个电机驱动功率难以适用于这些场合。针对这一问题，可以采用多个小功率电机联合驱动大惯量负载的方式提高伺服系统的驱动能力。该驱动方式相比单电机系统，提高了伺服系统的驱动能力，还降低了设计成本和难度。然而多点击伺服随动系统引入了多个齿轮传动环节，在系统减速过程中不可避免的存在着齿隙。齿隙的存在将系统变为不完全可控系统，齿轮处于齿隙之间时，驱动电机与负载齿轮是不接触的。因此系统在启动和换向的过程中由于齿隙非线性的影响，存在回程误差和抖动现象。
[0003]对于多电机结构的伺服系统多采用添加偏置力矩的方式完成消隙过程。目前常见添加偏置力矩主要有两种方式，一种是添加常值恒定偏置力矩，对参与驱动伺服系统的两个电机分别施加大小相同方向相反的两个偏置力矩，但电机接近换向状态时，施加负偏置力矩的电机会提前转向与另一侧负载齿轮咬合，保证控制状态连续可控。另一种是施加变偏置力矩，仅在电机接近换向状态才施加大小相同方向相反的两个偏置力矩，减少施加恒定常偏置力矩带来的能量损耗。上述两种施加的偏置力矩都是一个定值，但伺服系统运行工况不是恒定不变的，在某些工况下该偏置力矩可能会因为过小达不到消隙效果，也可能由于过大对系统控制精度带来不利影响。本文的主要工作对施加的偏置力矩进行改进，将常值偏置力矩变为自适应变偏置力矩，偏置力矩根据系统状态变化而自适应变化，使偏置力矩在系统的各种运行工况下仍有较好的消隙效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法，以解决当系统运行工况发生改变时，恒定偏置力矩的消隙效果变差或者过大的问题。
[0005]为了实现本专利技术目的，本专利技术一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、分析双电机伺服随动系统，采用死区模型描述齿隙环节，建立双电机伺服随动系统的动力学模型；
[0007]步骤2、分析电机发生齿隙环节运动状态，建立齿隙发生的运动模型；
[0008]步骤3、设计BP神经网络模型，以电机状态为输入，输出为偏置电流大小；
[0009]步骤4、根据建立的双电机伺服随动系统动力学模型设计控制系统，实现执行机构对位置信号的准确跟踪；
[0010]步骤5、根据建立的双电机伺服控制系统的控制输入判断双电机伺服随动系统是否进入齿隙状态，若进入了齿隙状态，则使用BP神经网络计算偏置电流，并对双电机施加一
对大小相同方向相反的偏置电流。
[0011]进一步地，步骤1建立双电机伺服随动系统的动力学模型，模型用于设计双电机伺服控制系统，包括单电机数学模型、双电机系统的机械传动模型，具体步骤如下：
[0012]步骤1
‑
1、首先建立单电机在同步旋转坐标系下的数学模型；
[0013]其中，定子电压模型为
[0014][0015]式中u
d
、u
q
分别是定子电压的d
‑
q轴分量；i
d
、i
q
分别是电子电流d
‑
q轴分量；R是电子电阻；w
e
是电角速度；L
d
、L
q
分别是d
‑
q轴电感分量；ψ
f
是永磁体磁链；
[0016]其中，电磁转矩方程为
[0017][0018]式中p
n
为极对数，T
e
为电磁转矩；
[0019]步骤1
‑
2、其次建立双电机伺服随动系统的传动模型；
[0020]其中，电机侧的机械运动方程为
[0021][0022]式中是等效到j号电机的转动惯量，是等效到j号电机的粘性摩擦系数，w
j
为j号电机转速，T
cj
为j号小齿轮力矩，r
cj
为j号电机减速比；T
ej
为j号电机电磁转矩。
[0023]其中，齿隙的死区模型为
[0024][0025]式中k为刚性系数，α
j
为齿隙大小，z
j
为电机侧与负载侧的相对位移；
[0026]其中，负载侧的机械运动方程为
[0027][0028]式中J
m
是大齿轮的等效转动惯量，b
m
大齿轮的等效粘性摩擦系数，T
L
为负载力矩，r
m
是大齿轮与小齿轮的减速比，w
m
为系统大齿轮的转速。
[0029]进一步地，步骤2中分析电机发生齿隙环节运动状态，建立齿隙发生的运动模型，计算驱动电机齿轮与负载齿轮碰撞后期望速度，具体步骤为：
[0030]步骤2
‑
1、当电机侧齿轮与负载侧齿轮碰撞时为弹性碰撞，碰撞过程满足角动量守恒和角动能守恒，则相应公式为
[0031][0032]式中J1,J2分别为反驱电机侧和负载侧转动惯量，w1,w2分别为碰撞前反驱电机侧和负载侧角速度，w
′1,w
′2分别为碰撞后反驱电机侧和负载侧角速度；
[0033]步骤2
‑
2、将步骤2
‑
1中的公式连立，得到碰撞后反驱电机侧与负载侧角速度为
[0034][0035]步骤2
‑
3、根据步骤2
‑
2中的公式可知，碰撞后反驱电机侧速度可由碰撞前电机侧和负载侧速度求出；其中碰撞前负载侧仍与另一个正驱电机齿轮接触，故碰撞前负载侧角速度等于正驱电机角速度/减速比；为减少碰撞后负载产生抖动，碰撞后速度方向不变，大小变为碰撞前的1/2。
[0036]进一步地，步骤3中使用经过训练的神经网络模型，以反驱电机侧齿轮碰撞前的期望速度和施加偏置力矩时的角速度为输入计算偏置力矩大小，其具体步骤为：
[0037]步骤3
‑
1、首先设计一个采用BP算法的三层全连接的神经网络，BP神经网络结构包括输入层节点个数为4个，隐含层节点个数为5个，输出层节点个数为1个，各层节点仅与相邻层节点有连接，各层内节点之间无任何连接，各层节点之间实行全连接；
[0038]隐含层的输入输出公式为
[0039][0040]式中，为隐含层第1层的输出节点，为隐含层权值系数，为隐含层第1层激活函数输入，激活函数采用双曲正切函数：
[0041][0042]输出层的输入输出公式为
[0043][0044]式中，O
out
为输出节点，为输出层权值系数，Net
out
为输出层的激活本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、分析双电机伺服随动系统，采用死区模型描述齿隙环节，建立双电机伺服随动系统的动力学模型；步骤2、分析电机发生齿隙环节运动状态，建立齿隙发生的运动模型；步骤3、设计BP神经网络模型，以电机状态为输入，输出为偏置电流大小；步骤4、根据建立的双电机伺服随动系统动力学模型设计控制系统，实现执行机构对位置信号的准确跟踪；步骤5、根据建立的双电机伺服控制系统的控制输入判断双电机伺服随动系统是否进入齿隙状态，若进入了齿隙状态，则使用BP神经网络计算偏置电流，并对双电机施加一对大小相同方向相反的偏置电流。2.根据权利要求1所述的一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法，其特征在于，步骤1建立双电机伺服随动系统的动力学模型，模型用于设计双电机伺服控制系统，包括单电机数学模型、双电机系统的机械传动模型，具体步骤如下：步骤1
‑
1、首先建立单电机在同步旋转坐标系下的数学模型；其中，定子电压模型为式中u
d
、u
q
分别是定子电压的d
‑
q轴分量；i
d
、i
q
分别是电子电流d
‑
q轴分量；R是电子电阻；w
e
是电角速度；L
d
、L
q
分别是d
‑
q轴电感分量；ψ
f
是永磁体磁链；其中，电磁转矩方程为式中p
n
为极对数，T
e
为电磁转矩；步骤1
‑
2、其次建立双电机伺服随动系统的传动模型；其中，电机侧的机械运动方程为式中是等效到j号电机的转动惯量，是等效到j号电机的粘性摩擦系数，w
j
为j号电机转速，T
cj
为j号小齿轮力矩，r
cj
为j号电机减速比，T
ej
为j号电机的电磁转矩；其中，齿隙的死区模型为式中k为刚性系数，α
j
为齿隙大小，z
j
为电机侧与负载侧的相对位移；
其中，负载侧的机械运动方程为式中J
m
是大齿轮的等效转动惯量，b
m
大齿轮的等效粘性摩擦系数，T
L
为负载力矩，r
m
是大齿轮与小齿轮的减速比，w
m
为系统大齿轮转速。3.根据权利要求2所述的一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法，其特征在于，步骤2中分析电机发生齿隙环节运动状态，建立齿隙发生的运动模型，计算驱动电机齿轮与负载齿轮碰撞后期望速度，具体步骤为：步骤2
‑
1、当电机侧齿轮与负载侧齿轮碰撞时为弹性碰撞，碰撞过程满足角动量守恒和角动能守恒，则相应公式为式中J1,J2分别为反驱电机侧和负载侧转动惯量，w1,w2分别为碰撞前反驱电机侧和负载侧角速度，w
′1,w
′2分别为碰撞后反驱电机侧和负载侧角速度；步骤2
‑
2、将步骤2
‑
1中的公式连立，得到碰撞后反驱电机侧与负载侧角速度为步骤2
‑
3、根据步骤2
‑
2中的公式可知，碰撞后反驱电机侧速度由碰撞前电机侧和负载侧速度求出；其中碰撞前负载侧仍与另一个正驱电机齿轮接触，故碰撞前负载侧角速度等于正驱电机角速度/减速比；为减少碰撞后负载产生抖动，碰撞后速度方向不变，大小变为碰撞前的1/2。4.根据权利要求3所述的一种用于双电机伺服系统的自适应变偏置力矩补偿方法，其特征在于，步骤3中使用经过训练的神经网络模型，以反驱电机侧齿轮碰撞前的期望速度和施加偏置力矩时的角速度为输入计算偏置力矩大小，其具体步骤为：步骤3
‑
1、首先设计一个采用BP算法的三层全连接的神经网络，BP神经网络结构包括输入层节点个数为4个，隐含层节点个数为5个，输出层节点个数为1个，各层节点仅与相邻层节点有连接，各层内节点之间无任何连接，各层节点之间实行全连接；网络输入层的公式为式中为输入节点；隐含层的输入输出公式为式中，为隐含层第1层的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭健，林可凡，李胜，徐胜元，惠玉卓，王璐，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：