消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器技术方案

本发明专利技术提供了一种消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，涉及定日镜多伺服驱动系统。对于速度控制，提出了改进的死区模型对齿隙进行建模，并基于该模型建立了双电机系统的动力学模型，根据动力学模型设计了基于死区模型的模型预测速度控制器与控制系统，利用反馈校正环节对预测结果进行校正。对于位置控制，提出了改进变偏置力矩分配方式的消隙策略，并建立了基于消隙策略的双电机系统模型，结合该模型设计了基于消隙策略的模型预测位置控制器与控制系统。本发明专利技术控制器可以消除定日镜多伺服系统中传动齿隙的影响，实现快速稳定、无超调的速度调节效果和响应速度快、定位精度高的位置控制效果。定位精度高的位置控制效果。定位精度高的位置控制效果。

【技术实现步骤摘要】
消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器


[0001]本专利技术涉及定日镜多伺服驱动系统
，特别涉及一种消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器。

技术介绍

[0002]随着社会生产力发展，人们生活水平不断提高，我们对能源的需求不断增加。目前大部分使用的是化石能源，但是化石能源的过度使用，已经造成了日益严重的环境污染、气候变化、自然灾害增加等不良影响。人类也逐渐意识到不可再生的化石能源逐渐枯竭所带来的能源危机。所以可再生能源的开发利用是目前全球发展的重点之一。
[0003]在众多可再生能源中，太阳能由于具有储量大、分布广无地域限制、使用安全无害、可长久开发使用等诸多优点，成为未来社会的理想能源之一，在未来的能源战略中占有重要的地位。
[0004]定日镜作为塔式太阳能光热发电站的重要组成部分，其作用是通过调节俯仰角和方向角，将太阳光集中反射到集热塔顶部的吸热器上，加热管道中的熔融盐，熔融盐再跟汽轮机组中的热工质进行换热生产高温蒸汽，驱动汽轮机组发电。因此精确跟踪太阳光的照射角度成为定日镜的首要任务，其运动精度直接影响太阳能的采集，从而影响发电站的太阳能利用率进而影响发电效率，这对定日镜的运动控制精度提出了较高要求。
[0005]相比于单伺服驱动，多伺服驱动系统可由多台小功率电机驱动以提高控制精度，且可以通过施加偏置力矩来锁定负载以实现精确的位置控制。另外，定日镜的重量和惯量一般都较大，同时受风力的影响也较大，具有大惯量、大扰动的特点，采用多伺服系统驱动可以输出高转矩，提高系统的整体驱动能力和过载能力。
[0006]然而，由于多伺服驱动系统常采用齿轮传动方式，会产生齿隙现象。齿隙现象是指齿轮传动环节中由间隙引起的位置误差所产生的非线性现象，该现象主要发生在驱动电机换向时刻。由于齿隙的存在，当系统驱动力矩转换方向时会出现空回现象，即驱动力矩无法传递到从动部分，导致从动部分暂时不可控，引起齿隙输入端与输出端之间的偏差从而增大系统的输出误差，对多伺服驱动系统的控制精度造成了巨大的负面影响，不利于定日镜角度的精确控制。
[0007]基于此缺陷，本专利技术提出了一种消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，旨在消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的影响以实现定日镜角度的精确控制。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的影响以实现定日镜角度的精确控制。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，基于带有齿隙环
节的双电机系统，包括硬件层、中间层和算法层；其中，硬件层包括：三个齿轮，分别为依次啮合的驱动齿轮一、负载齿轮和驱动齿轮二；三台电机，用于驱动齿轮运动，分别为驱动电机一、负载电机和驱动电机二；三台驱动器，用于实现力矩环控制，分别为驱动器一、负载驱动器和驱动器二；一台控制器，用于实现模型预测控制和求解计算；一台上位机，用于读取和存储系统运行过程中产生的数据；开关电源和用于供电或通信的线缆；算法层包括：模型预测控制系统；所述模型预测控制系统包括模型预测速度控制系统和模型预测位置控制系统，所述模型预测速度控制系统是基于齿隙死区模型的双电机系统模型预测速度控制；所述模型预测位置控制系统是基于消隙策略的双电机系统模型预测位置控制。
[0011]本专利技术提供了一种优选方案，所述模型预测速度控制系统通过基于齿隙死区模型的双电机系统动力学模型和模型预测速度控制器实现。
[0012]本专利技术提供了一种优选方案，所述基于齿隙死区模型的双电机系统动力学模型是基于所述驱动齿轮一、负载齿轮、驱动齿轮二、驱动电机一、负载电机和驱动电机二对齿隙进行建模，建立齿隙死区模型，并以齿隙死区模型建立基于齿隙死区模型的双电机系统动力学模型；齿隙死区模型，用于描述系统度过齿隙时两个齿轮之间的力矩传递情况，齿轮啮合时采用弹簧阻尼模型描述力矩传递；未啮合时采用一阶弹簧模型描述力矩传递。
[0013]本专利技术提供了一种优选方案，所述模型预测速度控制器包括负载位置估计、状态预测模型、滚动优化和反馈校正，参考速度输入到模型预测速度控制器，经过滚动优化得到两台驱动电机的力矩，估计负载的位置，经过微分得到负载估计速度，与预测模型的输出比较进行反馈校正，最终得到负载速度的输出。
[0014]本专利技术提供了一种优选方案，所述模型预测位置控制系统通过消隙策略、基于消隙策略的双电机系统动力学模型和模型预测位置控制器实现。
[0015]本专利技术提供了一种优选方案，所述消隙策略利用双电机消隙原理，基于所述驱动齿轮一、负载齿轮、驱动齿轮二、驱动电机一、负载电机和驱动电机二，在起动和换向的过程中通过两个驱动齿轮在负载齿轮上增加方向相反的偏置力矩T
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和T
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，一驱动齿轮提供动力矩，另一驱动齿轮提供阻力矩；在启动与换向结束后停止施加偏置力矩，由两个驱动齿轮共同提供动力矩来带动负载齿轮运动，使驱动齿轮与负载齿轮之间不会出现游离齿隙，消除齿隙影响，并以此建立消隙策略。
[0016]本专利技术提供了一种优选方案，所述消隙策略为：当负载力矩为0，参考力矩为0时，两台驱动电机分别提供给负载大小相等、方向相反的偏置力矩抱紧负载，使负载不会在齿隙中自由转动；当负载需要正向转动时，参考力矩正向增大，T
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逐渐增大，T
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逐渐减小，合力矩逐渐增加，负载开始正向转动，此时两驱动电机齿轮仍然紧贴电机，实现无齿隙传动；当参考力矩继续增大，超过T1时，负载所需力矩完全由电机一提供，此时电机二将随负载齿轮转动，不提供动力；此后通过电机力矩和负载力矩作用使驱动齿轮和负载齿轮保持接触；当参考力矩继续增大，超过T2时，电机一保持恒定力矩T2，电机二力矩开始增加；当参考力矩超过T3后，两电机平均分配所需力矩。
[0017]本专利技术提供了一种优选方案，所述基于消隙策略的双电机系统动力学模型建立是在消隙策略下，齿隙在任何时刻都被消除，相邻齿轮总是处于紧密贴合状态，双电机系统视为一个整体，在任何时刻三个齿轮的速度都相同，位置只相差一个初始情况的齿隙宽度，以此对双电机系统整体进行动力学建模，建立基于消隙策略的双电机系统动力学模型。
[0018]本专利技术提供了一种优选方案，所述模型预测位置控制器包括负载位置估计、状态预测模型、滚动优化和扩张状态观测器，参考位置作为模型预测位置控制器的输入，经过滚动优化，得到负载所需总力矩，经过消隙策略进行力矩分配得到驱动电机一和驱动电机二所需的力矩T
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和T
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，对负载的实际位置进行估计反馈给模型预测位置控制器进行闭环控制。
[0019]本专利技术提供了一种优选方案，所述状态预测模型采用带有一拍滞后补偿的控制流程：在第k时刻，控制器写入上一时刻计算得到的最优输入并读取当前时刻系统状态x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，其特征在于，基于带有齿隙环节的双电机系统，包括硬件层、中间层和算法层；其中，硬件层包括：三个齿轮，分别为依次啮合的驱动齿轮一、负载齿轮和驱动齿轮二；三台电机，用于驱动齿轮运动，分别为驱动电机一、负载电机和驱动电机二；三台驱动器，用于实现力矩环控制，分别为驱动器一、负载驱动器和驱动器二；一台控制器，用于实现模型预测控制和求解计算；一台上位机，用于读取和存储系统运行过程中产生的数据；开关电源和用于供电或通信的线缆；算法层包括：模型预测控制系统；所述模型预测控制系统包括模型预测速度控制系统和模型预测位置控制系统，所述模型预测速度控制系统是基于齿隙死区模型的双电机系统模型预测速度控制；所述模型预测位置控制系统是基于消隙策略的双电机系统模型预测位置控制。2.如权利要求1所述的消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，其特征在于，所述模型预测速度控制系统通过基于齿隙死区模型的双电机系统动力学模型和模型预测速度控制器实现。3.如权利要求2所述的消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，其特征在于，所述基于齿隙死区模型的双电机系统动力学模型是基于所述驱动齿轮一、负载齿轮、驱动齿轮二、驱动电机一、负载电机和驱动电机二对齿隙进行建模，建立齿隙死区模型，并以齿隙死区模型建立基于齿隙死区模型的双电机系统动力学模型；齿隙死区模型，用于描述系统度过齿隙时两个齿轮之间的力矩传递情况，齿轮啮合时采用弹簧阻尼模型描述力矩传递；未啮合时采用一阶弹簧模型描述力矩传递。4.如权利要求2所述的消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，其特征在于，所述模型预测速度控制器包括负载位置估计、状态预测模型、滚动优化和反馈校正，参考速度输入到模型预测速度控制器，经过滚动优化得到两台驱动电机的力矩，估计负载的位置，经过微分得到负载估计速度，与预测模型的输出比较进行反馈校正，最终得到负载速度的输出。5.如权利要求1所述的消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，其特征在于，所述模型预测位置控制系统通过消隙策略、基于消隙策略的双电机系统动力学模型和模型预测位置控制器实现。6.如权利要求5所述的消除定日镜多伺服驱动系统中传动齿隙的模型预测控制器，其特征在于，所述消隙策略利用双电机消隙原理，基于所述驱动齿轮一、负载齿轮、驱动齿轮二、驱动电机一、负载电机和驱动电机二，在起动和换向的过程中通过两个驱动齿轮在负载齿轮上增加方向相反的偏置力矩T
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【专利技术属性】
技术研发人员：沈逸，张竞豪，樊耕麟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：