[0001] 本发明涉及丝杠工作台领域，尤其是一种降低双丝杠工作台误差偏转角的控制方法及系统。

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 现有的滚珠丝杠工作台分为单丝杠驱动和双丝杠驱动，单丝杠驱动的驱动力无法准确地作用在移动部件的重心处，因此目前多采用双丝杠驱动，发明人发现，现有的双丝杠驱动由于制造工艺的缺陷以及实际装配中存在误差，容易出现两根丝杠的同步误差，导致移动部件在移动后出现偏转角，使得移动部件上的工件在后续的加工或者测试中无法达到目标精度。

[0053] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0054] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

[0055] 正如背景技术所介绍的，现有技术中双丝杠工作台工作过程中产生的偏转角无法消除的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种降低双丝杠工作台误差的控制方法。

[0056] 实施例一

[0057] 本发明的一种典型的实施方式中，本实施例提供了一种降低双丝杠工作台误差的控制方法，参考图10所示，包括如下内容：

[0058] 在工作台滑块的通槽中设置推力补偿装置；

[0059] 数据采集单元实时测量双丝杠工作台中电机在d轴的电流id和在q轴的电流iq以及在d轴的电压ud和在q轴的电压uq；

[0060] 数据处理单元通过滤波器对电机在d轴的电流id和在q轴的电流iq、电机角速度ωe和电机负载转矩TL进行估计，通过多次迭代后获取真实的电机在d轴的电流id*和真实的电机在q轴的电流iq*、真实的电机角速度ωe*和真实的电机负载转矩TL*，并将真实的电机在d轴的电流id*和真实的电机在q轴的电流iq*、真实的电机角速度ωe*和真实的电机负载转矩TL*代入双丝杠误差模型中进行计算，以获得工作台的误差偏转角θer；

[0061] 数据处理单元将获得的工作台的误差偏转角发送给控制器，控制器根据工作台的误差偏转角获得推力补偿装置需输出的力；

[0062] 控制器控制推力补偿装置动作来推动工作台反向偏转以降低工作台的误差偏转角；

[0063] 而且，工作台滑块的通槽侧壁设置压力传感器，压力传感器位于工作台的一侧，压力传感器与控制器连接；控制器获取压力传感器的数值，当压力传感器获取的工作台侧面所受的推力满足要求时，则控制器控制驱动电机停止转动。

[0064] 参考图2、图3和图4所示，推力补偿装置5包括多节补偿部件，多节补偿部件沿着通槽的长度方向依次设置，相邻两节补偿部件之间、端侧的补偿部件与通槽侧壁通过弹簧销5‑1连接，每一补偿部件包括第一板5‑6和第二板5‑7，第一板5‑6和第二板5‑7之间间隔距离设置，第一板5‑6和第二板5‑7之间连接有弹性件5‑3，弹性件的外侧面与工作台3侧面接触，第一板远离第二板的一侧固定有驱动电机，驱动电机5‑5远离第一板的一侧与舵机5‑4连接，舵机5‑4的每一端均连接有牵引绳5‑2，牵引绳穿过第一板和第二板连接；

[0065] 驱动电机与控制器连接，控制器可为PLC控制器或其他类型的控制器，控制器控制驱动电机转动以通过舵机收紧牵引绳，弹性件受到压紧向第一板5‑6的径向方向弯曲，同时，弹性件5‑3产生朝向工作面的推力以推动工作台反向偏转，以推动工作台朝向工作台已经偏转的反方向进行偏转。

[0066] 本实施例中，压力传感器布置于工作台朝向通槽一侧的侧面，具体地，在工作台侧面设置多个压力传感器，压力传感器的设置位置与每一处同工作台侧面接触的弹性件位置对应；压力传感器与控制器连接，控制器获取压力传感器的数值，当压力传感器获取的补偿部件向工作台产生的推力满足要求时，则控制器控制驱动电机停止转动。

[0067] 其中，控制器可为PLC控制器或其他类型的控制器；

[0068] 可以理解地是，参考图5、图6所示，舵机5‑4为十字型构件，驱动电机的活动端与舵机中心固连，舵机的各端部均超出驱动电机设置；弹性件5‑3为具有设定宽度的弹簧片，弹簧片均匀布置于第一板5‑6和第二板5‑7之间，具体地，弹簧片可为4处，弹簧片的两端均弯折设置，每一弹簧片的一端固定于第二板靠近第一板的一侧，弹簧片的另一端固定于第一板靠近第二板的一侧，弹簧片位于第一板和第二板之间；

[0069] 相应，同舵机端部连接的牵引绳5‑2设置于相邻两弹性件之间，牵引绳可为钢丝绳，牵引绳的一端穿过第二板后可通过打结的方法进行固定，或者通过现有的绳夹进行固定。

[0070] 本实施例中，第一板和第二板均可为圆形板，第一板、第二板的结构和尺寸都是相同的；

[0071] 需要解释地是，滑块通槽2‑1的长度方向沿着工作台的宽度方向设置，在通槽中可设置至少三处补偿部件，三处补偿部件中两处补偿部件同向设置，另一处补偿部件与同其临近的补偿部件对向设置，即该补偿部件的舵机靠近同其临近的补偿部件的舵机。

[0072] 由此，在数据处理单元将其获得的工作台的误差偏转角发送给控制器后，控制器控制补偿部件中各驱动电机转动以通过舵机收紧牵引绳，弹性件受到压紧向第一板的径向方向弯曲，同时，弹性件产生朝向工作面的推力，在该推力作用下工作台进行反向偏转(相反于工作台目前偏转的方向)，以降低工作台的误差偏转角θer；

[0073] 需要说明地是，双丝杠工作台的电机为永磁同步电机，数据采集单元具体为与永磁同步电机连接的现有的伺服器，通过伺服器可获取电机在d轴的电流和在q轴的电流以及在d轴的电压和在q轴的电压；

[0074] 其中，数据处理单元通过卡尔曼滤波器对电机在d轴的电流和在q轴的电流、电机角速度和电机负载转矩进行估计，包括如下内容：

[0075] 其中，卡尔曼滤波器对永磁同步电机的id和iq以及转速ωe和电机负载TL进行估计，通过多次迭代后获取真实的电流id*和iq*以及转速ωe*和电机负载TL*，包括如下内容：

[0076] 2‑1)预测状态的更新，即获取时刻k+1的状态的预测估计值，通过状态转移矩阵、时刻k的状态的估计值、输入控制矩阵和时刻k的控制量对时刻k+1的状态的预测估计值进行获取：

[0077] x(k+1|k)＝Ax(k|k)+Bu(k)    (1)

[0078] 其中，x(k+1|k)表示时刻k+1的状态的预测估计值，A表示状态转移矩阵，x(k|k)表示时刻k的状态的估计值，B是输入控制矩阵，u(k)表示时刻k的控制量；

[0079] 其中，输入控制矩阵

[0080] u(k+1)＝(ud uq)T；

[0081] 根据电机数学模型建立系统的状态方程和输出方程，设

[0082]

[0083] 其中，w(t)和v(t)都是噪声误差，符合正态分布，观测矩阵 测量矩阵

[0084] 将永磁同步电机PMSM的数学模型矩阵化，x(t)为状态方程，x(t)＝[idiq,ωeTL]T，id和ix分别是dq0坐标系下的d轴和q轴电流，ABC坐标系通过clark变换(指的是将ABC变换到静止的αβ坐标系下)和park变换(指的是将ABC变换到旋转的dq坐标系下)得到d轴和q轴电流，ωe是电机角速度，在卡尔曼滤波过程中电机负载TL为稳态值，求导后为0，可得出状态转移矩阵A，通过公式(3)进行表示。

[0085]

[0086] 其中，R是定子电阻，L是电枢电感，Kt是转矩常数，Jm是电机转动惯量，Bm是电机粘滞系数，ψ是转子磁链幅值，Pn是电机磁极对数，均为电机固定参数。

[0087] 2‑2)预测状态的协方差更新通过时刻k的状态协方差的估计值、状态转移矩阵和时刻k+1的过程噪声的协方差矩阵进行获取；

[0088] P(k+1|k)＝AP(k|k)AT+Q(k+1)    (4)

[0089] 其中，P(k+1|k)表示时刻k+1的状态协方差的预测值，P(k|k)表示时刻k的状态协方差的估计值，Q(k+1)表示时刻k+1的过程噪声的协方差矩阵；

[0090] 其中，

[0091] P0表示P(k|k)的起始值。

[0092] 2‑3)通过时刻k+1的状态协方差的预测值、测量矩阵和测量噪声的协方差矩阵来更新卡尔曼增益：

[0093] K(k+1)＝P(k+1k)H(k+1)^T(H(k+1)P(k+1k)H(k+1)^T+R(k+1))^‑1(5)

[0094] 其中，K(k+1)表示时刻k+1的卡尔曼增益，H(k+1)表示k+1时刻的测量矩阵，具体采用测量矩阵H，R(k+1)表示测量噪声的协方差矩阵；

[0095] 其中，

[0096] 2‑4)通过时刻k+1的状态的预测估计值、时刻k+1的卡尔曼增益、时刻k+1的测量值和测量矩阵来更新时刻k的状态的估计值；

[0097] ×(k+1|k+1)＝×(k+1|k)+K(k+1)(z(k+1)‑H(k+1)×(k+1|k))    (6)

[0098] 其中，x(k+1|k+1)表示更新后时刻k+1的状态的估计值，z(k+1)表示时刻k的测量值；

[0099] 2‑5)通过单位矩阵、时刻k+1的卡尔曼增益、测量矩阵和时刻k+1的状态协方差的预测值来获取更新时刻k+1的状态协方差的预测值；

[0100] P(k+1|k+1)＝(I‑K(k+1)H(k+1))P(k+1|k)    (7)

[0101] 其中，P(k+1|k+1)是更新后时刻k+1的状态协方差的估计值，I是单位矩阵。

[0102] 需要说明地是，永磁同步电机常采用d轴电流为0，因此id＝0。

[0103] 需要说明地是，数据处理单元可为现有的计算机终端，将电机在d轴的真实电流和电机在q轴的真实电流、电机的真实角速度和电机真实的负载转矩，输入双丝杠误差模型中以获得工作台的误差偏转角；

[0104] 双丝杠误差模型包括PMSM(永磁同步电机)矢量控制模型与机械系统模型，因双丝杠工作台具有两处永磁同步电机，因此具有第一PMSM矢量控制模型和第二PMSM矢量控制模型，将卡尔曼滤波器接入PMSM矢量控制模型中，将卡尔曼滤波器接入PMSM矢量控制模型，将卡尔曼滤波器输出的角速度ωe*接入PMSM的速度环，由此形成的第一PMSM矢量控制模型见图7所示，卡尔曼滤波器输出的角速度ωe*接入PMSM的速度环中，对速度环控制器进行负反馈，有利于速度环控制器输出的q轴电流环更精确，第二PMSM矢量控制模型与第一PMSM矢量控制模型是相同的；

[0105] 参考图8所示，两个PMSM矢量控制模型的输出角速度作为机械系统模型的两个输入，通过输入的两个ωe*，可获取工作台的误差偏转角θer，将卡尔曼滤波器接入双丝杠误差模型中，有效提高了通过模型计算得出的误差角θer的准确性。

[0106] 本实施例中，机械系统模型是通过双丝杠误差模型的动力学公式建立的，参考图9所示，双丝杠误差模型的动力学公式包括：

[0107]

[0108]

[0109] 其中，Mt是工作台的重量，L1和L2是两根丝杠到工作台中轴线的距离长度，Jt是工作台的转动惯量，Xm是工作台的实际位移；

[0110] 双丝杠误差模型的动力学公式，通过如下内容进行获取：

[0111] 获取电机的输出转矩，电机的输出转矩为T＝Ktiq，指的是转矩常数Kt与q轴电流iq的乘积。

[0112] 获取电机的负载转矩，电机的负载转矩TL＝KL(θm‑θs)，(在卡尔曼滤波中也会对电机的负载转矩进行估计，仅仅是为了提高iq*和ωe*的精度，但是在双丝杠误差模型的计算中并不使用卡尔曼滤波中的电机的负载转矩，而是使用经过双丝杠误差模型计算得到的电机的负载转矩TL)；

[0113] 获取电机的角速度，通过 可以计算得出电机的角速度ωe，也就是电机转子的角速度。

[0114] 其中，KL是双丝杠进给系统的等效扭转刚度，θm是电机转子角度，由电机角速度ωe进行一次积分获得，θs是丝杠转动角度可由公式 获得，PL是丝杠导程，t是设定时间，Fi是丝杠对工作台的推力，Js是丝杠的转动惯量；

[0115] 另外，丝杠对工作台的推力根据Fi＝Kd(Xs‑Xm)获得，其中Xs为丝杠转动角度按丝杠导程(PL)折算的轴向位移，Kd为双丝杠进给系统的等效轴向刚度，通过丝杠折算的轴向位移Xs根据 获得；

[0116] 工作台的实际位移Xm根据 获得，Ft＝F1+F2，F1是第一根丝杠对工作台的推力，F2是第二根丝杠对工作台的推力，Ft是两根丝杠对工作台的总推力；

[0117] 由此，可得到双丝杠误差模型的动力学公式，通过双丝杠误差模型的动力学公式即可获得工作台的误差偏转角。

[0118] 为进一步保证所获得的工作台的误差偏转角的精度，将摩擦力和应力加入到双丝杠误差模型的动力学公式中， 其中Ff1和Ff2分别为第一根丝杠和第二根丝杠与工作台之间的摩擦力均由经验公式得出，Fst为丝杠对工作台的应力，Fst＝KL*θer)。

[0119] 另外，还可获得第一根丝杠对工作台的输出位移y1，第二根丝杠对工作台的输出位移y2，y1＝ym+L1θer,y2＝ym‑L2θer。

[0120] 数据处理单元将计算的工作台的误差偏转角θer发送给控制器，控制器向驱动电机发送指令；当驱动电机收到控制器指令后，会转动收紧牵引绳，使推力补偿装置的轴向长度缩短，而弹簧片受到压紧向径向方向弯曲，径向长度增大，同时弹簧片会在径向方向对工作台产生推力，由于会在滑块的通槽内设置推力补偿装置，多个补偿部件会根据θer产生一个合力以抵消工作台的误差偏转角θer。

[0121]

[0122] 其中fi是单个补偿部件产生的推力，b是工作台侧面长度的一半，i是第几个推力补偿装置，Δx是补偿部件之间的距离；

[0123] 工作台侧面的对应推力补偿装置设置有压力传感器，通过压力传感器来检测推力补偿装置中单个补偿部件向工作台产生的推力fi，并经过控制器计算得到整个推力补偿装置产生的合力 消除工作台的误差偏转角θer。

[0124] 其中，需要说明地是，图7中的PI是指的比例积分控制器。位置环控制器可以选择滑模控制器，模糊滑模控制器或者自适应控制器等等。Clark是指克拉克变换，是一种在电机控制中常用的坐标变换方法，其本质是将三相静止、互差120°的abc坐标系中的变量转换到两相静止、互差90°的αβ坐标系中。Park和Anti‑Park是指帕克变换和反帕克变换，帕克变换是将静止的α和β两相坐标变换为旋转的dq两相坐标，反帕克变换则是将旋转的dq两相坐标变换为静止的α和β两相坐标。SVPWM空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)，是一种用于三相电机控制的脉宽调制技术。它通过控制三个功率开关器件的开关状态，产生不同的电压矢量，以实现对电机的精确控制。Two‑level Converter指的是一种电力电子转换器，它具有两个电平输出，即高电平和低电平，能够根据输入信号(如SVPWM信号)来控制输出电压的高低电平,控制电机的电压和频率，实现精确的速度和扭矩控制；

[0125] 图8中Js·S2中Js是指丝杠的转动惯量，S是指拉普拉斯算子。

[0126] 本实施例中提供了双丝杠误差模型，并且在双丝杠误差模型中使用卡尔曼滤波器来提高误差偏转角的计算精度，目前没有使用卡尔曼滤波器来计算双丝杠偏转角的方案，卡尔曼滤波器能够有效的降低噪声对模型计算准确度的影响，数据处理单元根据双丝杠误差模型来计算双丝杠进给系统实际产生的误差偏转角，在通过推力补偿装置的径向推力来抵消这个误差偏转角，同时在抵消误差偏转角的时候，并不是通过驱动电机直接产生推力，而是通过驱动电机带动弹性件收缩产生弹力来推动工作台偏转，防止驱动电机产生的力过大造成过度补偿，反而提高误差偏转角的情况出现，经过实验测试，利用双丝杠工作台可以直接获取两丝杠对工作台的输出位移的差值，使用本实施例提供的双丝杠误差模型计算过后的误差准确度相比未使用卡尔曼滤波器的误差模型，精度要更高。

[0127] 实施例二

[0128] 本实施例提供了一种降低双丝杠工作台误差偏转角的控制系统，包括底座6，底座6设置两根丝杠1，丝杠为第一丝杠1‑1和第二丝杠1‑2，底座6设置导轨4，两根丝杠支撑同一处工作台3，工作台3通过滑块2与导轨4配合，两根丝杠中的一根丝杠与控制器连接，控制器与推力补偿装置连接，推力补偿装置为实施例一中的推力补偿装置；

[0129] 数据采集单元，数据采集单元获取双丝杠工作台中电机在d轴的电流和在q轴的电流以及在d轴的电压和在q轴的电压；

[0130] 数据处理单元，数据处理单元通过滤波器对电机在d轴的电流和在q轴的电流、电机角速度和电机负载转矩进行估计，通过多次迭代后获取电机在d轴的真实电流和电机在q轴的真实电流、电机的真实角速度和电机真实的负载转矩，并根据电机在d轴的真实电流和电机在q轴的真实电流、电机的真实角速度和电机真实的负载转矩，获得工作台的误差偏转角；数据处理单元将获得的工作台的误差偏转角发送给控制器，控制器根据工作台的误差偏转角获得推力补偿装置需输出的力，控制器控制驱动电机工作以通过舵机收紧牵引绳。

[0131] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。