(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210632164.0 (22)申请日 2022.06.07 (71)申请人 长春工业大学 地址 130012 吉林省长 春市长春高新技术 产业开发区北区北远达大街3000号长 春工业大学北湖西校区 (72)发明人 王婷婷　王宏志　胡黄水　 (51)Int.Cl. H02P 5/46(2006.01) H02P 5/50(2016.01) B25J 9/16(2006.01) H02P 23/00(2016.01) (54)发明名称 面向机械臂的多电机同步控制方法 (57)摘要 本发明设计一种面向机械臂的多电机同步 控制方法， 以提高机械臂关节驱动的多电机协调 控制性能。 该方法在传统环形耦合控制结构中设 置比例系数， 各电机间设置反馈补偿机制。 针对 多电机间同步误差的耦合影 响， 定义转速同步平 均误差， 设计同步控制补偿器， 对控制信号进行 二次补偿。 采用和声搜索算法HSA优化型双重模 糊PID转速跟踪控制器， 模糊控制器1根据转速误 差范围实现输入论域自适应变换， 并锁定PID控 制的三项系数； 再通过HSA优化模糊控制器2获得 三项系数的精准修正值； 另外， 对HSA的音调微调 带宽BW和音调微调概率PAR采用改进型动态调整 方式。 最后， 将单电机的总控制信号输入到各个 电机驱动系统， 以实现机械臂关节驱动的多电机 比例同步控制。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 114865952 A 2022.08.05 CN 114865952 A 1.一种面向机 械臂的多电机同步控制方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： S1： 在传统环形耦合控制结构中设置了比例系数， 各电机间均设置了反馈补偿机制， 使 得多电机可以根据实际需求实现转速比例同步； S2： 针对多电机之间同步误差的耦合影响， 定义了转速同步平均误差， 设计了同步控制 补偿器， 对 控制信号进行二次供 给补偿， 提高了系统抗干扰能力， 降低了同步 误差； S3： 采用和声搜索算法HSA优化型双重模糊PID转速跟踪控制器， 模糊逻辑控制1可以根 据转速误差的范围实现输入论域自适应变换， 并且 大范围锁定PID控制的三项系数； 之后通 过HSA优化模糊控制器2获得三项系数的精 准修正值； 为了更好地 获得全局最优和声， 对HSA 的音调微调带宽BW和音调微调概率PAR采用改进型动态调整方式， 以提高多电机控制系统 的自适应能力及转速跟踪性能； S4： 将通过反馈补偿机制、 同步控制补偿器和转速跟踪控制器获得单电机的总控制信 号输入到各个电机驱动系统， 以实现机 械臂关节驱动的多电机比例同步控制； 其中所述 步骤S1所设置的比例系数和反馈补偿机制如下： 研究机械臂多关节耦合系统最小相关关节的同步控制， 即每个关节的控制至少考虑与 该关节相 邻的其他两 关节的状态， 通过控制最小相关关节， 减小 各关节间耦合的复杂程度， 使得控制器计算量不会随着关节的数目增多而增加， 设置三个关节电机的同步比例系数为 Pi(i＝1,2,3)， 给电机统一 转速输入ωref， 则三个关节电机的转速 输入ωni(i＝1,2,3)为： ωni＝ωref×Pi 每个关节电机除了自身的转速反馈影响， 还需要设置各电机间的反馈补偿机制， 即单 电机根据各电机间的同步比例系数获得两电机间的相对平均差， 再将相对平均差反馈回电 机系统输入端， 形成总转速误差作为跟踪控制器的输入信号： e1＝ωn1‑ω1‑[ω1(P2/P1)‑ω2]‑[ω1(P3/P1)‑ω3] e2＝ωn2‑ω2‑[ω2(P3/P2)‑ω3]‑[ω2(P1/P2)‑ω1] e3＝ωn3‑ω3‑[ω3(P1/P3)‑ω1]‑[ω3(P2/P3)‑ω2] 上式中， e1,e2,e3分别为三个电机的总转速误差， ω1,ω2,ω3分别为三个电机的输出转 速； 其中所述 步骤S2所设计的同步控制补偿器如下： 同步控制补偿器的作用主要是针对三个电机之间 同步平均误差的耦合影响， 对控制信 号的二次供给补偿， 三电机之 间的平均误差耦合影响相比于相邻电机间的误差耦合影响较 小， 因此， 同步控制补偿 器采用传统PI对平均误差信号进 行控制处理， 定义同步转速耦合平 均量为： ωave＝(ω1/P1+ω2/P2+ω3/P3)/3 则转速同步平均误差eave为： eave＝(ωi/Pi‑ωave)×Pi 上式中， ωi(i＝1,2,3)为各电机 输出转速， 则同步控制补偿器的控制输出信号usi为， usi＝Kpeave+Ki ∫eavedt 上式中Kp,Ki分别为补偿器中PI控制的比例、 积分系数； 其中所述 步骤S3所设计的HSA优化型双重模糊PID转速跟踪控制器如下： (1)建立模糊控制器1， 选用两输入三输出的Mam dani模糊控制结构， 输入变量为总转速权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114865952 A 2误差ei及误差变化率eci,i＝1,2,3， 输出变量为PID控制的比例系数Kp1、 积 分系数Ki1和微 分系数Kd1， 由于转速误差随着系统起始 转态到稳定状态变换范围幅度较大， 并伴随同步误 差， 因此， 根据转速误差范围动态调整模糊逻辑控制中的输入变量 论域： ei,eci＝[‑3,3],ei<＝6r/mi n ei,eci＝[‑6,6],ei>6r/min (2)采用HSA优化模糊控制器2获得PID三项系数Kp1、 Ki1、 Kd1的精准修正值kp'、 ki'、 kd'； 一组好的参数可以提高HSA的全局寻优能力， 并能有效提高收敛速度， 传统HSA中的BW 和PAR为常量， 减弱了算法 的自适应能力， 为了获得更好的优化目标， 定义BW随着迭代次数 的增加而动态减小: BW＝BW0×e‑(t/Tmax) 上式中BW0为音调微调带宽的初 始系数， Tmax 为HSA算法总迭代次数， t为HSA算 法当前迭 代次数， 随着迭代次数的增加， 更接近获得最佳和声， PAR也应随之减小， 对PAR的动态调整 如下式： PAR＝PAR0×[1‑(t/Tmax)] 上式中PAR0为音调微调概 率的初始系数； 其中所述步骤S4中单电机的总控制信号主要由转速跟踪控制器及同步控制补偿器提 供， 即 Ui＝ufi‑usi 上式中， ufi,usi分别为转速跟踪控制器及同步控制补偿器的控制输出信号。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114865952 A 3