伴随着现代科学技术的飞速发展,机电伺服系统呈现了小型化、轻量化、高精度和高动态特性的发展趋势,谐波传动、摆线传动、柔索传动、活齿传动等具有较高传动精度和良好动力学特性的传动方式在其中得到了越来越广泛的应用。对于上述这些传动方式的动力学特性和伺服控制方法进行研究有助于机电系统伺服性能的提升,具有一定理论和工程意义。谐波齿轮具有输出力矩大、结构紧凑、啮合空回小、传动精度高等许多优点,广泛应用于航空、航天、机器人、武器系统等领域中的伺服系统中,取得了良好的效果。随着系统伺服性能需求的提升,对谐波齿轮传动精度提出了更高的要求,需要对如何提高其伺服性能这一问题进行进一步的研究。本文针对精密谐波齿轮传动系统非线性动力学特性的建模问题和伺服补偿问题开展研究,根据对精密谐波齿轮传动系统的工作原理、动力学特性建模、模型参数辨识方法、非线性特性补偿控制、模型仿真方法、系统性能预测等方面的研究,建立了含摩擦、刚度和迟滞非线性特性的系统仿真模型,针对各种非线性特性设计了相应的补偿控制策略,总结得出了基于模型的谐波齿轮传动系统设计方法,对如何提高谐波齿轮传动系统伺服性能有了进一步的认识,较好解决了谐波齿轮传动的设计和伺服控制问题,可为谐波齿轮传动系统在高速、高精、轻量化和小型化精密伺服系统中的应用提供技术支持。论文的研究内容主要包含以下几个部分:1.针对谐波齿轮传动系统伺服特性与其结构参数之间的关系问题,通过分析谐波齿轮工作原理、运动学和动力学特性,推导出了常用双波谐波齿轮摩擦、刚度和迟滞三种特性的经典模型参数与其自身主要结构参数的解析关系。针对三种非线性特性的经典模型,采用描述函数方法对其进行线性化,建立了含摩擦、刚度和迟滞的谐波齿轮传动系统线性模型,得到了摩擦、刚度和迟滞对谐波齿轮传动系统伺服性能的影响规律。2.为了准确建立谐波齿轮传动系统的动力学模型,针对谐波齿轮传动系统摩擦、刚度和迟滞三种非线性特性进行了建模。针对系统摩擦特性建模问题,采用Stribeck和Lu Gre两种方法进行建模,并对模型中参数进行辨识,提出了一种可在线应用的Stribeck摩擦模型参数快速辨识方法。针对系统刚度特性建模问题,采用泰勒级数和有限元两种方法进行建模,并辨识了泰勒级数刚度模型的参数,得到了影响谐波齿轮低阶谐振频率的主要结构参数和其影响规律。针对系统迟滞特性建模问题,采用Maxwell和Preisach两种方法进行建模,并对模型中参数进行了辨识,研究了Preisach迟滞模型在线仿真离散递归算法,提高了模型仿真计算效率,总结得到了Maxwell和Preisach迟滞模型的选用原则。将以上三种非线性特性模型进行集成,得到了谐波齿轮传动系统的仿真模型,该模型可用于研究系统结构-控制特性相互作用机理,进行系统动力学特性分析、控制方法研究和伺服性能预测。3.针对谐波齿轮传动系统的伺服控制问题,研究了系统非线性特性的补偿控制方法。针对系统摩擦和迟滞特性,采用基于模型的摩擦前馈补偿和迟滞逆模型补偿控制方法;针对系统的参数存在变化不确定量问题,采用不基于模型的Backstepping自适应补偿控制方法。利用建立的谐波齿轮传动系统仿真模型对上述方法进行仿真分析,系统伺服控制精度和响应速度相比经典PID控制方法均有明显提高,验证了上述补偿控制方法的有效性,并分析得到了各补偿控制方法的选用原则。4.针对谐波齿轮传动系统的设计问题,应用上述建模和补偿控制研究成果,提出了基于模型的谐波齿轮传动系统设计方法。基于本文建立的系统仿真模型和设计的补偿控制方法,根据某型精密指向稳定平台俯仰伺服驱动机构应用实例,提出了基于模型的系统设计流程。依照该设计流程,得到了俯仰伺服驱动机构的具体设计方案,并对方案伺服性能进行了仿真预测。根据设计方案制造了原理样机,并对其进行了性能测试,测试结果满足设计指标要求。该方法提高了系统的设计效率、降低了设计成本。5.针对谐波齿轮传动系统的非线性特性、低阶谐振频率、开环特性和闭环特性测量问题,研究了谐波齿轮传动系统性能测试方法。设计了系统非线性特性测试实验台,实现了对摩擦、刚度和迟滞等非线性特性的测量。设计了系统系统谐振频率和幅频特性测试实验台,实现了对系统低阶谐振频率和开环幅频特性的测试。研究了闭环系统的最低平滑速率、稳定精度、定位精度以及峰值输出力矩的测试方法,针对精密指向稳定平台俯仰伺服驱动机构这一具体应用进行了测试。以上测试获得了较为准确实验数据,可反映被测系统的真实特性。测试结果验证了本文所研究的建模和控制方法的正确性和有效性。