伺服系统过象限突起抑制技术

发布时间：2020-07-04 01:01

【摘要】：机电系统中存在着大量诸如摩擦非线性、间隙非线性等不利于准确位置控制的因素,尤其在高精度数控加工系统中,这些因素的存在使得线性控制的效果变差。在平面圆弧轨迹插补运动中,摩擦非线性的存在使得某一插补轴的速度反向时,圆弧轨迹发生畸变。畸变体现为在四个象限交替处的轨迹突起,得名过象限突起。过象限突起的存在降低了伺服系统控制的精确性以及运动的均匀性。因此,进行机理分析和摩擦补偿,对于解决圆弧插补过程中的过象限突起问题具有重要意义。本文首先分析了摩擦非线性的各模型,陈述选择Lu Gre摩擦模型的原因。之后给出了圆弧轮廓误差与单轴跟踪误差的关系,并将平面双轴的圆弧运动分解成两个独立的单轴运动进行分析,证明过象限突起的抑制可以从提升单轴位置跟踪精度的角度下手。最后结合Lu Gre摩擦模型,建立滚珠丝杠伺服平台含摩擦的单惯量刚性模型和双惯量弹性模型。接着讨论了Lu Gre摩擦模型的收敛性,将其用于仿真以复现过象限突起现象。利用Simulink定性分析了过象限突起的产生机理,从运动学的角度研究了象限突起的影响因素,并用象限毛刺幅值和象限毛刺持续时间两个指标来衡量过象限突起的程度。仿真表明,圆弧插补的加速度越大,即圆弧插补的速率越大、圆弧半径越小,象限毛刺的幅值越大、持续时间越长。然后提出了基于逆模型的转矩反馈补偿策略和基于摩擦模型的转矩前馈补偿策略;并通过仿真对比了两种方法的优劣。仿真结果表明,扰动观测器虽然设计起来更为简单,但只能部分抑制象限毛刺。在摩擦参数精确辨识的基础上,摩擦前馈补偿效果明显,在库仑摩擦、库仑+粘滞摩擦、Lu Gre摩擦模型三种方案中,基于库仑+粘滞摩擦的前馈补偿就复杂度和补偿效果来看最有优势。最后,在交流伺服电机拖动的滚珠丝杠平台上,复现了过象限突起现象,测试了松下A6伺服驱动器的过象限突起抑制功能。并在实验室自制驱动器中编写基于库仑摩擦、库仑+粘滞摩擦、Lu Gre模型的摩擦前馈补偿算法。实验结果表明这三种方法均具有一定的抑制效果,其中库仑摩擦+粘滞摩擦模型效果最佳。经对比,本文采用象限毛刺补偿策略能够将毛刺幅值降到未抑制时的20%以下,效果优于松下A6驱动器的“象限突起抑制”功能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM921.541
【图文】：

过象限,加工件,现象

擦力、剪切力、间隙等非线性机械环节。电机、支撑轴承和螺母受到摩擦力矩，直线运动的部件与滚动导轨之间也会受到摩擦力环节的存在制约了伺服定位精度的提升，尤其是电机低速运行和非线性因素的影响尤为显著。在位置控制精度要求高的军事和工如数控机床、导弹舵机等用品中，伺服系统受到非线性因素作用置响应产生极限环振荡[2]、定位末端抖振[3]、过象限毛刺[4]等。若措施，则会严重降低定位精度。课题研究的圆弧过象限突起(又称为过象限毛刺)问题多发生在数[5]，由于在过象限处严重影响圆弧轨迹的跟踪精度而受到广泛的1-1 所示，是数控机床加工件出现的过象限突起现象。研究伺服系精度的问题虽然十分经典，但过象限突起这一现象是近十年来才究点，究其根本是由于伺服系统位置传感器的精度、伺服定位精和加工精度要求的提高[6]，才促使人们关注和研究这一微米级的而，作为高精度位置控制问题的一部分，研究过象限突起的抑制具有很重要的工业应用价值和研究价值。

滚珠丝杠,实验平台,主要参数,平台

图 5-1 滚珠丝杠传动平台-1 给出了实验平台的主要参数。较为重要的有丝杠平台的(rad/s)到直线运动侧(mm/s)的转化关系。在下面的实验中，到直线侧，统一用直线侧的数据进行分析和比较。表 5-1 滚珠丝杠传动系统主要参数参数名称松下电机参数值实验室自制电机额定功率 Pn750 W 750W额定转速 n 3000 r/min 3000r/m额定转矩 Te2.39 N m 2.39 N 机转动惯量 Jm1.56e-4 kg m21.82e-4 kg环增益 Kppos 630 0.1/s 30（标幺增益 pid1_spd.Kv 350 0.1Hz 160 0.1ms 5（标幺） 0.05转指令脉冲数 100000cts 10000c平台转动惯量 Jl20 1.7e-4 kg m2（转换到直线导轨侧比（直线/旋转） 20/1

【参考文献】