一种基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法

本发明属于齿轮传动控制领域，特别是一种基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法。

背景技术：

1、齿轮传动的间隙（以下简称为：齿隙）广泛存在于机电伺服系统，会导致极限环振荡、机械磨损和到位不精确等问题，如果不及时解决，极限环可能会破坏控制系统的稳定性，由此产生的振动将加剧系统的内部机械磨损，从而使齿隙进一步扩大，形成恶性循环。

2、针对齿隙问题，众多研究人员提出了各自方法。有些方法采用在线或离线识别方法获得齿隙宽度的估计值，然后通过手动调整或其他方式处理，操作起来复杂。另一些研究者针对间隙问题提供了一种逆运算的前馈补偿算法，有效提高了跟踪性能，但是该方法只适用于基于输入端的间隙迟滞模型，这种模型并不能精确表现间隙在机械结构中引起的振荡现象。还有一些研究工作建立了多模型切换系统，将齿轮传动中每一次啮合与脱离的过程分别进行控制，结构上类似于根据啮合状态而实行一种切换控制方法，然而多模型切换系统存在不连续性。另有一部分研究人员提出基于极点配置法的状态反馈补偿或者使用连续可微函数近似齿隙模型，再根据近似模型进行补偿，该方法对系统的实际参数精度要求较高，实用性并不可观。此外，将齿隙当作扰动进而采用扰动补偿方法，也是抑制齿隙震荡的常用方法。目前，常用的机电伺服系统扰动估计方法有扰动观测器(disturbanceobserver, dob)、扩展状态观测器(extended state observer, eso)、滑模扰动观测器(sliding mode disturbance observer, smdob)、等效输入扰动观测器(equivalentinput disturbance observer, eidob)，等等。eso利用增广系统内的一个附加状态变量来估计外部干扰，许多研究人员使用eso工具来解决齿隙问题。一些研究者基于观测器的前馈补偿系统中的齿隙，通过设置一个粗值，消除实值与粗值之间的误差，获得影响估计精度的相关参数，但研究的是滞后型齿隙模型，该模型在运动控制中的近似效果并不好。另有研究者采用微分方程对间隙进行建模捕捉齿隙的主要特征和近似误差，再采用eso处理近似误差，然而所使用的自适应鲁棒控制器虽然性能很好，但高跟踪精度需要高反馈增益，不利于实现。还有一些研究人员在eso中引入了新的非线性函数，提高了估计精度，但对于齿隙的影响也仅仅是通过补偿扰动进行应对，效果并不会特别好。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，旨在解决齿轮传动系统中齿隙引起的极限环振荡问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，包括：

4、建立机电伺服系统两惯量模型；

5、设计三阶非线性扩展状态观测器估计传递力矩：定义三阶非线性扩展状态观测器的3阶状态变量，改写两惯量模型并根据传递力矩有界性确定三阶非线性扩展状态观测器具体形式；

6、根据传递力矩的估计值，设计补偿间隙非线性扰动的电流值；

7、将补偿间隙非线性扰动的电流值加入参考电流得到补偿后的伺服系统的电流环输入。

8、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

9、（1）本发明所提出的齿隙扰动补偿算法由于其简单的结构和原理，易于实施，所需参数较少，适用范围较广。

10、（2）本发明中齿隙补偿算法所需的实时传递力矩量由三阶非线性扩展状态观测器(eso)估计得到，相比于传统的eso，三阶非线性扩展状态观测器(tneso)具有估计精度高的优点，同时使用观测器技术也能避免采用力矩传感器等成本较高的测量方法，仅仅通过系统易于测得的状态量来计算出传递力矩的数值。

技术特征：

1.一种基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，其特征在于，建立的机电伺服系统的两惯量模型为：

3.根据权利要求2所述的基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，其特征在于，三阶非线性扩展状态观测器形式为：

4.根据权利要求3所述的基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，其特征在于，非线性函数为：

5.根据权利要求2所述的基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，其特征在于，设计补偿间隙非线性扰动的电流值为：

技术总结本发明公开了一种基于传递力矩估计与补偿的齿隙振荡抑制控制方法，属于齿轮传动控制领域，包括：建立机电伺服系统两惯量模型；设计三阶非线性扩展状态观测器估计传递力矩：定义三阶非线性扩展状态观测器的3阶状态变量，改写两惯量模型并根据传递力矩有界性确定三阶非线性扩展状态观测器具体形式；根据传递力矩的估计值，设计补偿间隙非线性扰动的电流值；将补偿间隙非线性扰动的电流值加入参考电流得到补偿后的伺服系统的电流环输入。本发明能够解决齿轮传动系统中齿隙引起的极限环振荡问题。技术研发人员：钱林方,邹权,汪杰昊,徐亚栋,陈龙淼,陈光宋,佟明昊,王满意,孙乐受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18