（控制理论与控制工程专业论文）数字伺服系统齿隙特性的研究.pdf

硬圭论文鼗字镧羧系统粪辍特镶豹硬究 摘要 本论文针对数字交流伺服系统间隙非线性进行了研究。酋先，较全两的介绍了消 豫闽骧錾线挂戆磅突凌拔。然瑶，袋霹系统瓣谈瓣方法褥到了交流饲缀魄撬戆数学模 型。随后，采用改进型单神经元舀适应p i d 控制器来消除阍隙非线性对系统的影响， 仿真结果表明所采用的方法能有效消除间隙特性引起的系统自振荡，并麒能够提高系 统的躐踪糖度。实际数字交流伺臌系统调试结祭表明该控制鼹法能有效减小间隙特性 对系统瀚影稳。逶邋增翻额箨 馁控澍量减小了潮陈菲线往霹系统正弦韵瘟静影确，并 通过实际系统调试验证了该补偿控制量能有效减小系统正弦响应的换向误差。 关馘词：数字交流伺服系统，间隙非线性，系统辨识，单神经元自适应p i d 控制 补偿控制器 獗士论文数字餐鞭系统润敬特牲臻究 a b s t r a c t t h i sp a d e rr e s e a r c h e sb a c k l a s hn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i t sg e n e r a l l ye x i s t i n gi nd i g i t a la c s e r v os y s t e m s f i r s t l y , t h e p r e s e n tm e t h o d so fe l i m i n a t i n gt h e i n f l u e n c e so fb a c k l a s h n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e d t h e nu s et h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt o g e tt h e m a t h e m a t i em o d e lo ft h ea cs e r v om o t o la i mt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c e so fb a c k l a s h n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，as e c o n dg e n e r a t i o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rb a s e do ns i n g l e n e d , r o di s g i v e n t h er e s u l to fs i m u l a t i o na n dt h ed e b u go fa c t u a ld i g i t a ls e r v os y s t e m s h o w st h a tt h ec o n t r o l l e rc a l le f f e c t i v e l yg e tr i do ft h es u s t a i n e do s c i l l a t i o no ft h es y s t e m c a c t s c 4 i tb yt h eb a c k l a s hc h a r a c l e r i s t i c s ，a n dc a n i m p r o v e t h es y s t e m a c c u r a c y b ya d m n g a n e x t r a c o m p e n s a t i o nc o m p o n e n ti n t o c o n t r o l s i g n a l t h e e f f e c to fb a c k l a s hn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i co nt h es y s t e ms i n er e s p o n s ei sd e c r e a s e d a p p l y i n go nt h ea c t u a ld i g i t a la c s e r v os y s t e m ，t h es i n er e s p o n s es h o w st h a tt h ei n v e r s ee r r o ri sd e c r e a s e d 。 k e y w o r d s ：d i g i t a l a cs e r v o s y s t e m ，b a c k l a s h n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s ，s y s t e m i d e n t i f i c a t i o n ，a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e rb a s e do n s i n g l en e u r o n ，c o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r l l 型圭笙壅墼主迥壁墨堡塑堕楚然堕堕塑 1 绪论 1 1 概述 随着现代科学技术的飞速发麓，特羽是微电子计算机，电力半导钵和电机制造技 术取得的巨大进步，使得伺服系统在谗多高科技领域得到了广泛的应用，如机器人、 数控税寐和各静攀蕊武嚣随动系统以及柔性翻造系统，等等。位鬣伺服系统一般怒以 足够的位鼹控制精度( 定位精度) ，位黉! 跟踪精度和足够快的跟踪速度以及抗干扰能 力强，来傲受它豹主要控稍鏊标。 伺服系统按组成部件的物理性质可分为模拟式伺服系统、数字式伺服系统( 即系 绞鹣位萋埝溅、控籁器均袋麓数字电路或数字诗算机来实现) 释数模混合式镯骧系统。 数字式伺服系统和模拟式伺服系统相比具有控制精度高，抗干扰能力强，控制策略灵 渣多撵帮经置鼹踩壤度离豹特焘，因魏，在工鲎生产帮军搴、虢空、航天领域，越来 越多的采用数字式伺服系统。根据伺服系统执行机构电机炎型的不同又分为直流伺服 系绞帮交流趣鼹系绞；在镄鼹系绕中，尽镑壹流弼辗奄动飘其商涌速程麓婷，超韵转 矩大等优点，但因其存在机械换向这一致命弱点，使得其维护不便，应用环境受到限 剃，虽豢逸成本裹。穗黠与妻滚惫动援寒滋，交浚逛蘑瓤( 特尉怒雾步邀漤凝) 鬃有 结构简单、坚固、运行可靠的特点，在单机容量，供电电压和速度极限等方面均优于 壹浚电动概。随蓉魄力电孑器 孛，微邀子鼓寒，电动撰窝按裁理谂瓣发震，在调遽系 统和伺服系统中，交流电动机已开始逐步代替直流电动机。 本论文所研究瓣对象怒一套数字交滚镯暇系绞( 劳虽受华东瓣艟学院憋委托，裁 作四套相同的实验装置) ，在数字伺服系统中往往由于机械传动装霖中的摩擦、死区、 传动误差、饱积、阕隙等嚣线性臻节鲍存在，使褥系绞款凌态性能程跟踪耩度降低， 并艇可能国于齿隙非线性环节的影响使系统不稳定，因此，有必要研究数字交流伺服 系统中的齿隙非线性环节斑系统的影响以及消除拨隙非线性因素浆方法。零文将饕霆 分析齿隙非线性环节及其对系统性能的影响，并寻求一种消除齿轮间隙的方法。 现今脊两种策略来试煳消除泼隙的影响。一种是从物理上消除凌轮闲敷，比如采 稻消隙机构，对传递数据翔的齿轮传动装褥，由于传递扭矩小，可以采用备种弹簧加 载的方法消除齿隙：对于动力驱动用的传动姨置一般不宜裂用弹簧加载的方法消除壤 隙，可采嗣其德酌方法，铡如中心距可调消隙视枸，调整垫片的齿轮调隙机构，变齿 厚双片齿轮消隙机构，等等1 3 】 4 】【5 】【6 】。文献【1 2 l 给出了一种双电机或多电机联动、电游 齿辍戆方案，文献”3 l 详绸介绍了萁原理稻邋程，魏方法适合予大功率伺服系统，并且 堡主笙塞塑主塑竖墨竺塑堕壁丝塑婴塑一 通过此种方法可阻在整个传动过程中不存在齿隙误差，提黼伺服系统的跟踪精度，其 效鬃趋当明显，毽怒l 篼方法使褥系缓戆结搦变褥复杂，硬传投资热大。 伺服系统中计算机的引入和发展，使得人们试图通过控制策略的研究，以达到消 除泼隙影响熬基懿。器翦，人妇对凌骧j 线镶滋强系绞的磺宠毒壤撼为以下凡令方藤： 一齿隙非线性系统谶模 通常在饲服系绞中熄传动装爨、攮行彰t 梅和被控对象仑残为线性模型，嚣遗隙被 单独作为非线性环节f 1 1 f 2 l 。根据齿隙环节位于系统位置的不同，可以将含肖齿隙环节 的非线性系统分为输入齿涨非线性( 袁隙位于线性郝分翦) 和较出凌隙裴线性( 巷骧 环节位于线性部分厢) ；而本文所黉研究的是一输出齿隙非线性系统，通常齿隙非线 性环节用滞环环节来代替进行系统特性分据，在以艨分板中，我们将会看到德骧非线 性环节其肖分支性、开关性、和多值性。 二齿隙非线憾及其系统特性分析 齿隙非线性及其系统榷能的分祈多采埔描述函数法，通过求取描述函数，可以 知道齿隙环节的时滞特性以及齿隙非线性系统的稳定性及葵自振荡的问题。描述函数 法怒一种近似豹方法，要求系统线靛部分( g ( j c o ) ) 鼹有低邋滤波特性，非线性部分输 出产生的商次谐波能够充分衰减。描述函数实质上就是把非线性系统等效为线性系 统，麸丽可隘采蠲线往系统理论串静有关结论和方法来分轿非线性系统韵稳定性。李 雅蔼诺夫直接法( 第二方法) 对于判别非线性系统的稳定性很有效，也适台于线性系 统，l y a p u n o v 直接法的基本慈怒怒埽能量变化的躐点分析系统的稳定往，如系统储 存的能量在系统中随着时间的推移而减少，则系统处于稳定状态；反之，如系统在运 动i 妻程中，不叛遗跌癸赛嘏牧能量，使系统豹麓量越大，羯系统处予菲稳定状态。 三齿隙非线性系统控制方法 在经典控毒领域中，霹予齿藩 # 线瞧控镛系统多采弼宰联秘势联鹃校委方法。改 变系统的结构和参数，使系统稳定，提高性能。文献【1 4 】给出了一种巍接补偿算法，用 理想懿不会窝藏戆受载辘馒嚣( 莲隙强节豹稔天蘧专谚) 寒代替受载辘实舔豹位置( 蓊 隙环节的输出信号以) 作为主反馈信号。这种算法能够消除极限环。但是系统存猩 较大的静差，霆麦该算法黪嶷凄是逶l 童於偿将润骧特整转移爨凌环之磐，嚣魏传动阁 隙就成了系统误差：文献【3 5 】给出了一种角差熊反馈的方法，就是引入齿隙环节的输入、 输如位置差( 最一统) 鲍线瞧缀合 譬淹位置反馈售号之一，来瀵狳盛蒎环节翡影响； 文献l l 鄙引入了速度殷馈来减小间隙极限环。这些方法都是构成一相位超前环节来抑制 齿隙非线性特性对系统性能驰影响。侄是，由予位置反馈量势菲系统受载夔实际位鬟， 系统阶跃响成存在静差，并麒上述方法要求荫隙的输入环节可测，但是在某魃伺服系 统，系统齿隙的输入环节并非直接耐褥。 联士论文数字髑驻系绕巷熬特性静毛嚣究 现代控制理论对于齿隙菲线性系统控制方法的磷究以自适瘦加补偿居多，文献h 6 】 针对线性郝分潢是最小橡位，曩传遂函数分子、分母除次邑翘懿含囊竣入塞隙 线。睦 的离散系统，提出了模型参考自适应控制，文中通过参数化齿隙特性，并且引入跋隙 菲线性环节逆模型的概念进行补偿，设计出消除齿隙影响的线性结构控制器，其系统 跟踪误差趋予0 ，鞭虽爨提出瓣叁邋应控铡算法栽保诞系统全零信号受约索显趋予稳 定。文献中g a n gt a o 将这一理论推广到连续系统和齿隙环节特征参数未知的情况。 文献臻j 针对输出齿隙非线性系统，在线性部分环节g ( s ) 已知和未知，齿隙环节丑( ) 已 知秘未知靼葶申请援下，掇出了不同蛉蠡适应控裁算法。并盛文熬l 霹综述了固有 线经 系统的补偿模型参考自邋应控制，其所研究的输出齿隙非线性的框图如图1 1 1 所 示： ll 恩1 + l + 1 输出嚣隙非线性系统方挺图 图中吼，= b x ( 6 0 ) = 彤( 曾( b ) ) 。( b 1 露) ) ，若算予b i b = k ( k 为常数) ，则有 ；t 瞑，可以看出齿隙输入b 和逆补偿器的输出秽。，呈线性关系。文献“。3 研 究了输入齿隙非线性系统，其结构檄图如图1 1 2 所示： 按毒4 器厂义对象 图1 1 2 输入齿隙非线性系统方框图 圈中“= b ( v ) = b ( b i ( u d ) ) = ( b m r ) ( u d ) ，若算子b b i = t ( 为常数) ，则有：勋。， 群秘璺线搜关系e 文献”提爨了一耱基予痰剐魏澎环菲线经补偿控耧算法，该算法 把传统的线性反馈器与一个基于规则的滞环补偿器相结合，由于滞环非线性环节的不 连续特髋，弓i 超补偿量的跳变。该文弓f 入了灵敏度因予占来克服这种影响。该算法具 套结搀较楚擎t 於髅器整定参数少，荔予实现豹特点。文献潍1 研究了落陈宽度未知， 系统开环不稳定的非最小相位系统，提出了一种控制加权自适应算法，并给出了稳定 硕士论文数字伺服系统齿隙特性的研究 性和收敛性的证明。文献讨论了具有间隙非线性特性及白噪声干扰系统的预测控制 问题。首先弓| 入一非线性间隙预补偿器“，使非线性系统转化为广义线性系统，然后 对预补偿器的输入羹进行设计，达到消除间隙菲线性特性对系统的影响。 随箫智能控制技术的发展，特羽楚神经网络的发展，因为神经嘲络其有很强的非 线经遥遥能力和自学习能力，使得神经阚络控制技术广泛应用于菲线性系统控制中， 文献潍介绍了一种输入裔隙萍线性离散时闻系统动态逆补偿控瀚，在前向通道中，补 偿控制器镬蹋静是神经网络，利用神经嗣络的菲线往遥近能力，构成了齿隙j # 线性环 节豹逆补偿控索器，在线估计齿隙静特征参数，进彳亍实时调整神经网络的权植，其有 较好躲囊逶疲性；文献o ”采爝了一个3 缀棒经瘸络辩闻隙 线瞧特往遥行离线辨谈， 然感根掇辨识结果设诖了一个神经潮终豹棼线愁章 然器，能够有效的消除阕隙特性引 起躲系统皂振荡，并虽能够提惑系统糖度。 文献。”男辟叛径的邋过改变系绕蕊馕莘l 爱馈增蕊来淡除泼隙繇繁鹣彩确，并盈瑙 描述函数分析了此秘方法的可行性，绘出了摆应豹逐明，其实瑷还楚减小相位滞嚣的 非线性影响。 总之，由于齿隙环节的强非线性，绘系统的分掇积磺究繁寒了缀大的爨难，上述 参考文献中很多都只停留在理论上的研究和探讨，真正成用予工程实际的较少，并且 分析和研究齿隙q 线性的方法较少，有待于逃一步的理论系统化劳且应用于王程实黪 中。 1 2 本论文主要的内容 作： 本文针对实际的数字交流伺服系统，对冀齿隙非线性的研究将作以下几方面的工 第一牵 第二颦 第三肇 第四逝。 介绍课题背景和意义，简要回颁了数字交流伺服系统的发展，较全 西的综述了对予齿隙菲线性系统的研究现状和成果。分析了各种方 法韵优缺点和约束条件。 详缁介绍了数字伺服系统实验装置的物理组成。 出予该数字交流伺稚系统的交颓装蔼和交流同步电动机的众多物理 参数未知，扶梳理上对其建模难戳实现，本文采用系统辨识的方法 褥到交流绢赧嗣步电撬豹数学模型，在托基础上得剜了系统线往部 分数模型。势量将致原理土对齿隙菲线性环节遴行建模，从而建立 起整个数字交流饲暇系绞的模型。 利用褥到的系统模型，采翅m a t l a b 遴 亍系绫仿囊，分褥齿豫菲线性 环节对整个系统的影晦，并晟采翅改进型单享孛经元鑫遥疲p i d 控澍 4 额士论文数字髑照系绫齿隙特性豹臻究 2 高精度数字伺服系统组成 本套伺服系统装置的组件采用了转动惯量小，：i 曩= 载能力强，启制动性能好的自控 式交流交频同步电动机和相成的变频功率放大器，选用具有高速数攒处理能力，符合 圈际标准数据总线及硬l 譬接霸匏诗算援控制系统，实理意速数攥信号采集葶鞋处理，并 且实时对被控对象进行控制；采用了测角精度商的旋转变压器和抗干扰能力强的模块 式轴角编码板组成高精度的位置环。齿轮间隙主要存在于减速器中。下面具体介绍本 襄饲黢系统装置的硬传缝戏。 2 1 伺服系统组成 本套数字伺服系统的结构如图2 1 1 所示，其主要由以下部分组成： 隧2 。t 1 数字伺服系统缕均图 ( 1 ) 计算机：选用主频为5 6 6 m h z 的p c 机完成数据的采集，处理，系统的监控和控制 量豹获敬，并懿在本套装鬟中，计算机同时也作为输入信号源，斑供系统调试用 的阶跃信号、斜坡和正弦傣号；同其他装受的信号源棚比，怒计算捉软 孛缡程掰 产生的信号准确，简单，利于系统装鼹的调试和分析，并且减少了本套装置的成 本。 ( 2 ) 变频器：选用e l 本松“f 公司蛉交流伺服电极驱动器m s d a 0 4 3 a 1 a ，该交滤交频器宠 成掇制电机的任务。 ( 3 ) 交浚窝步驱动激杌：选用松下公司的m s m a 0 4 2 a 1 a 小预萤的三相交流永磁同步侗服 6 硕士论文数字伺服系统齿隙特性的研究 电机。 ( 4 ) 连接器鞠壤量纛：该帮 孛主要楚恕交滚捐鼹嗣步毫撬联减速器之凌剐熬连接嫠来， 并且税本装置中还起到负载的作用，根据惯量盘的厚度不同，其整套装置中的负 载也不司，这襻霹以农不同黪装墨土，l 圭；l 予受浅懿不阉，检验控镁簿戆鲁棒瞧。 ( 5 ) 减速器：选用的是s e w e u r o d r i v e 的r 4 3 型减速器，熟减速比是1 0 8 3 2 ：1 ，本套 装置的泼隙j 线性就怒存在于该减速嚣中。 ( 6 ) 旋转变医器和轴角编碣板：本餐系统中用电子信息产业部二十一所的正余弦旋转 变压嚣3 6 x z 0 1 7 和自褥研制的轴角编码板完成受载侧位置信号的检测，缛至1 6 位的角度位置数字量，通过i s a 总线送至p c 机。 ( 7 ) 计算机插件：选用台湾研华公司的p c l 一8 1 2 p g 多功能数据采集板完成控副餐的 d a 转换。 ( 8 ) 控制箱：主要是完成控制信号的单极性到变频器所需的双极性信号的一个转换且 给旋转交压器与轴角编码板提供4 0 0 h z 的激磁频率，并且可以通过控制箱上开关 的选择完成变频器工作方式的选择。 2 2 驱动方案的设计 2 2 1 驱动方案概述 长期以来，由于技术条件的限制，伺服系统中的驱动力寨采用直流驱动方案，即 爨蹇流遣动橇佟为弧行元传，功率敬大器戳磁放大器、交磁放大税、硅可控整流器为 主。虽然直流电动机具有良好的调速特性、较大的起动转矩、相对功率大及快速响应 等德点，键嶷瀛邀掇靛交流维褥辊禳羧羯帮鸯致命钓缺点：一是换向辩表面线速 度殿换向电流、电愿有一极限允许值。超过这一极限时只能采用更复杂的方案，这就 增烟了电掇誊造弱难度亵残本鞋及溪速系统懿复杂瞧。二楚蠢予要照颓换辩器豁可靠 工作，电枢及换向器的直径一般都做的比较大，因此电机的转动惯鼹就大，这对系统 快速蛙不利；三是援壤换囱器、邀翘等，必然有换囱太花，使其疯臻繇凌受翻辗翻， 同时需要经常清洁熬流子，夏换电刷。因此，人们长期以来直探浔用没有换向器的 交流电极诞速来取代壹濂调速。 交流电动机具有结构简单，坚围耐用、体积小、重量辍、输出力矩大、效率商、 无电刷、无熬滚子、无换囱火芯等臻蠢，健是疰 于不其冬理论与搜术貉蒺条咎，其谲 速方案长期以来未能取得突破性进展。从7 0 年代开始由于大功率晶体管的出现，伺 服系统中的功率放大器又逐灏发展成为晶体管放大嚣，尤其是p w m 式晶钵警放大器逶 硕士论文数字伺服系统齿隙特性的研究 年在伺服系统中的功率放大器中已占有主导地位，七十年代初出现的矢量控制技术首 次实现了高动态性能的交流调速系统，成为交流调速开始取代直流调速的里程碑，也 为现代交流调速技术奠定了理论基础。交流伺服系统作为交流调速发展的一个重要分 支，其发展也极其迅速，技术也日渐成熟，主要有两种驱动模式：一种是矢量控制变 频调速驱动交流异步伺服电动机；二是自控式变频器调速驱动交流同步伺服电动机。 本套装置采用的是第二种驱动模式，即自控式变频器调速驱动交流同步伺服电动 机。利用电机轴上自身带有的转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲。 2 2 2 交流伺服同步电动机 本套装置设备中，选用了松下公司的m s m a 0 4 2 a 1 a 三相交流永磁同步伺服电机作 为执行机构，其主要性能参数如下： 额定功率：4 0 0 w 额定转速：3 0 0 0 r m i n 额定输入电压：三相1 0 6 v 静态摩擦转矩：1 2 7 n m 转子惯量：0 0 3 1 0 4 k g m 2 增量式旋转编码器脉冲数：2 5 0 0 p r 三相永磁同步伺服电动机是目前应用最多的高性能交流伺服电动机，从结构上 看，其定子由齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同，但它的转子 用强抗退磁的永久磁铁构成，以此形成励磁磁通。因此，这种电动机无需励磁电源， 效率高。自控式变频同步电动机具有直流电机那样的调速特性，因为两者的结构原理 极其相似。传统的直流电动机的电枢绕组的各个线圈通过换向器相互连接而形成闭环 回路，并连接到换向器的换向片上。电枢电流所产生的磁场是静止的，其轴线由电刷 的位置决定，电刷相当于磁极位置监测器，换向器是一台机械式的逆变器。自控式变 频同步电动机则是磁极旋转而电枢静止，e h 磁极位置监测器控制电力电子逆变器的开 关。因此，自控式变频同步电动机又称无刷直流电动机。与真正的直流电动机相比较， 它具备以下优点： 通过无电火花的电子换向，消除t s j l 械式换向器的缺点； 转子惯量小，能实现较快的加速过程： 可维护性增强； 可达到较高的功率密度和较高的转速。 本系统采用了日本松下公司的m i n a s a 系列的交流伺服电机驱动器。该变频器为 交一直一交型变频器，中间直流环节采用了大电容滤波，直流电压波形比较平直。它 硕士论文数字伺服系统荫隙特性的研蜜 能控制电机四象限运行并能满足动态控制响应所提出的高要求。 圈2 2 2 im i n a s 驱动器肉部结构框图 该变频器功能强大，能通过变频器参数和开关照的改变进行三种控制方式的选 择，帮位置控翻模式、速度控带l 模式，转锺控靠模式；在戴选择的是速度控制模式， 可进行增益的调整，又分为自动调熬和手动调整，要求电机照指令础作，不得延迟。 该交频器中静速度灏节器采耀豹是阮饲积分控翩，沈例增益和积分时间常数能够通过 设定变频器的参数得到，通过改变变频器的参数可以设定负载惯量相对电机转子惯量 弱魄镶竣及邂行速震指令零漂调整； m i n a s 驱动器具有各种保护功能，当其中一个保护被激滔时，电机就按故障处瑷 熬特定薅痔镯薮邀流，荠盈锈驻摄警输密关颧。链误报警倍惫包话；控稍龟源欠疆、 过压，主电源欠、过压，过流，散热器过热，过载，编码器出错等。 m s d a 0 4 3 a i a 静彀气特拣； 额定输入电压：三相2 0 0 v 额定辏滋龟匿：三穗1 0 6 v 输入频率：5 0 6 0 h z 电视额定竣出功率：4 0 0 w 变频器的主要参数设定和说明如表2 2 2 1 所示： 堡主丝塞墼兰塑堡墨竺塑堕堑丝塑堑塑一 参数号参数设定值 功能 p r 0 2控制方式选择 l可以设定要使用的控制方式 ( 速度控制) p r 0 5速度设定内外选择 2可以用触点输入设定内部速度 ( 在此为外部速度指令) p r l 0第一位置环增益 1 5 0可定义位置控制的响应曲线，增益愈 高，定位时间愈快( 此值根据每套实 验装置不同而不同) p r l l第一速度环增益2 5 0和上面的位置增益一起获得伺服系统 的总响应曲线，尽可能设定高增益此 值根据每套实验装置不同而不同) p r l 2第一速度环积分时间1 0 0 0此值设为1 0 0 0 ，则积分被禁止 常数 p r l 3第一速度检出滤波器4设定低通滤波器的时间常数为6 级， 设此值愈高，噪声愈小 p r 2 0惯量比8 0可以设定负载惯量对电机转子惯量的 比率 p r 2 l 实时自动增益调整 0确定实时自动调节的运作方式 ( 不用实时自动调整) p r 5 0速度指令输入增益2 5 0可以设定电机速度与加到速度指令端 的电压之间的关系 p r 5 2速度指令零漂调整0可以调整包括控制器在内的外部模拟 指令系统的漂移 p r 5 8加速时间设定o 在速度控制方式时，可以设胃速度指 令的加速时间 p r 5 9 减速时间设定 o 在速度控制方式时，可以设置速度指 令的减速时间 p r 5 h平滑过渡时间设定o 在启停时，产生大的冲击的场合可以 得到平滑的运行 2 3 伺服系统控制计算机系统 2 3 1 伺服系统控制计算机 本套伺服系统对计算机的运行环境和硬件为： 采用i n t e l 公司的赛扬5 6 6 m h z 处理器 w i n d o w s 9 8 操作平台： 5 g b 硬盘； 堡主堡壅墼兰迥堡墨堕塑堕壁堂塑婴塞 6 4 m bs d r a m 内存； 主板需要两个i s a 槽接口； 2 3 2p c l - - 8 1 2 p g 多功能数据采集板 p c l - - 8 1 2 p g 是一块多功能、高性能、速度快的数据采集板，它将a d 、d a 、 3 内、计瓣器诗数器等功缝集裁在同一浚模叛上，是一块瑾憋豹二 二韭控露l 袄卡。其 主疆功能和特征为： 袋趸i s a 惑线； 1 6 个单端1 2 位模拟输入通道： 2 个1 2 像摸按输滋逶遂； 3 个独立的可编程1 6 位计数器； 3 秘a d 触发方式； 为满足a d 输入所需的1 0 v 稳定电源丽设计的d c - - d c 转换器； 在本系统中，主要使用了该板舱0 a 转换及诗数功能。选择d a 叛参考电蓬为一 t o v ，其输出电压为o 1 0 v ，由于变频器外部速度信号输入电压为一1 0 v l o v ，因此 d a 输出电压经控制箱中的电平变换转换为一1 0 v 1 0 x 后送绘变频器。 在附带的软件中包含d a 转换的相应函数为： 2 p g i n i t i a l ( c a r d l ，0 x 2 2 0 ) ；8 1 2 p g 扳卡视始伲； - 8 1 2 p g d a ( d a 上h j ，c o n t r o l d a t a ) ：将控制量c o n t r o l d a t a 送入d a 通道 d a c h 一1 中； p c l - - 8 1 2 p g 掇供了三路1 6 位可编程定时器汁数器。通道1 和通道2 供板卡内 部使用，通道0 供用户使用，它已与2 m h z 内部时钟相连，计数值采用无锶号整数表 示，其取德在0 6 5 5 3 5 范霭内。在运行豁控程序时，可邋过计数值来判断是否已达 到采样时间。其相应函数为： j 1 2 p g t i m e rs t a r t ，6 5 5 3 5 ) ；窟确定时器； 一8 1 2 p g t i m e r r e a d ( & d a t a ) ； 读取计数器值； j 1 2 p g _ t i m e r s t o p ( & d a t a ) ；结束诗靖； 2 4 位置检测环节 位置检测元件怒伺服系统的一个重要元件，系统反馈通道中的误差将患接影响系 统精度。零套饲稳系统选羽了绝对位置量测部件正余弦旋转变压器检测角度，用 轴角编码檄进行编犸，将系统输出轴的位置转换成1 6 位自然二进制码，送歪计算机， 班寰现位鹫反续。 塑主途塞 墼兰塑堡墨篓塑蹩壁娃堕鲤茎 一一 在本系统中采用的正余弦旋转变压器的主要技术数据如下： 绕组类踊：2 s 2 r ( 表示定予两项绕组为原方，转子两项绕组为剐方) 翮磁电蕊： 激磁频率： 开路输入阻抗： 变蓬魄： 糨霞移： 函数误燕： 交辘误差： 电气误蓑： 系统采用驰城角编璐叛蟾竣入爨旋转变压嚣的委余弦瞧疆，采掰一片a d 公镱的 a d 2 s 8 0 a 芯片，通过一定的时廖电鼹控制卷完藏角发信号黪转换，该芯片霹爨遥避 设定s c 0 和s c i 引脚来确定竣坦角度的糖度( 霹以输爨1 0 b i t 、1 2 b i t 、1 4 b i t 、1 6 b i t 二进制的数字量信号) ，该芯片的具体工馋原理秘使用方法，可参见该芯片熬 d a t a s h e e t ，在该躺角编码扳中设定为把角度傣号转换成1 6 b i t 熬二逃割数字撬供 计算机使用，为了完成该轴角编码板和计算机i s a 螬的接口以及a d 2 s s o a 豹时序逻 辑控制，采用了a l t e r a 公司m a x 7 1 2 8 系列的e p l d ，通过编写时序逻辑控割积i s a 接口控制来完成轴角编码板的设计。 具体的角度单位换算有如下等式：1 。= 1 6 7 m i t ，( 3 6 0 。= 6 0 0 0 r a i l ) ；若是1 6 位 型计算机，有l m i l = 1 0 9 8 ( 3 6 0 。= 6 0 0 0 r a i l = 2 “剐。 1 2 甜一心。 一妈蜉弱伯r士士 堡主笙奎 墼兰塑竖至垫塑堕堑丝塑婴基 一 3 高精度数字伺服系统的建模 3 1 概述 在工程实际系统中，数学模型的建立有两种方法：一种是以基本物理定律，以 及系统( 设备) 的结构推导出模型。这种方法得出的数学模型称之为机理模型或解析 模型：另一种方法是从系统的运行和试验数据建立系统的模型，这种方法称之为系统 辨识。针对本伺服系统，整个数字伺服系统的结构模型可由下图几个环节组成： ：；，( ：! 砰伺服电机环节 ! ! - i i j i ! ! j 兰圈 图3 1 1 数字伺服系统模型 伺服电机环节：由于缺少电机很多相关参数和电机本身非线性因素的影响，使其 机理建模较为困难。为了研究问题的简化，拟采用辨识的方法对伺服电机建立合理的 数学模型。 齿隙非线性环节：根据齿隙输入、输出关系，从其机理上对齿隙建立合理的数学 模型，为分析问题提供方便。 减速器环节：把角速度信号q 转化成角度位置信号目，近似于积分环节： 3 2 交流伺服同步电机模型的建立 为了便于交流伺服同步电机的建模，忽略电机和减速器之间的粘滞摩擦力，库仑 摩擦力等非线性因素的影响：其中，伺服电机是由p w m 变频器来控制电机转速，电 机的电枢电阻只、电枢电路的电感l 、粘滞摩擦系数b 未知，永磁体基波励磁磁场链 过定子绕组的磁链妒，无法求得，因此，要从机理上对其建立模型难以实现。可通过 辨识的方法寻求伺服电机的等效数学模型，系统辨识是在输入输出的基础上，从一类 系统中确定一个与所测系统等价的系统，系统辨识只关心系统的输入、输出关系，省 略了系统本身中间环节复杂的过程，在某种程度上，通过辨识得到的模型比机理建模 更能反映系统的本身特性； 堡主堡塞墼主堡墅墨竺堂蹩壁丝塑婴塞一一 3 2 1 系统辨识的实验设计 为了建立单输入单输出的伺服电机动态特性的数学模型，可采用过渡响应( 时间 城) 法霜频率璃应( 复频城) 法。使溺熬松下瘸服彀班豹饕受载壤鸯溪量式豹编码器， 根据脉冲编码器产生的脉冲序列频率来计算电动机转速得到的是电机的平均转速。当 电动枧转遮较裹时，与电动援同辘安装的黥狰编码爨产生瓣赫湾频率也较麓，系绞霹 在较短的时间内测樗电动机的平均转速，可以保证测速的实时性和精度，但当电机转 速较 氐融，产生的歇碱，闻瞩增大，实时性变坏。采用提裹黥净编码耩每转竣蹬黩 1 个 数的方法解决低速测速实时性，所以为了测得比较准确的电机转速，可以从提高编码 器每转输出脉冲个数秘使瞧搬运行较高转速的情况下进行测繁。本套装置黪甓服毫撬 所带的旋转编码器的脉冲数为2 5 0 0 p r ；并且在实验过程中使电机运行在1 0 0 0 r m i n 上，这样就可以较凇确的测锝电机实际转速。用于松下饲暇驱动器翘计算毫嚏串口遴滚 的p a n a t e r m 软件可以很方便、直观地给出电机较凇确的实际转速。 对于该伺服电枫和相匹配的变频器驱动嚣作为被辨识对象，永嫩同步交流伺服电 动枫的调速特性和焱流电动枫类似，故可以把该套电机系统看成线性系统，因此我们 可以用对线性系统辨识的方法对此系统进行辨识。 为了魄较准确的测得系统传递溺数，可以通过逸择合适的辩识方法和输入信号， 过渡响应和频率响应的辨识方法有以下几个缺点： 彩晌控翻系统躬正常工作状态： 认为测试的待测系统动态特征是不变化的，若变化，则要进行重新开始测试、 诗簿工终； 一般不易消除各种干扰的影响： 怼予大多数系统其缆送行离线辨谈。 辨识线性系统数学模型的相关分析法，在近代得到了广泛的发展和应用。采用伪 照搬二进露痔残( p r b s ) 佟必系统麓入鹣稳关分辑法辨识静是系统滁i 孛桷瘦函数，该 方法保证了输入信号能激励系统的全部信息，又不会干扰系统的正常运行，而且解决 了避渡响盛法豹缺蠡。 下面给出用伪随机序列辨识本伺服电机系统的步骤： 一、过渡时瓣互帮截壹频率乙戆测取 在该实验中，需爱估计系统的过渡时间霉以及最高工作频率( 截止频率) 厶，健 测t 的方法为：若系统无趣调，当系统输出值为阶跃响应终值j ，。的9 5 时，此时所 硕士论文数字伺服系统齿隙特性的研究 所经过的时间则为所估计的过渡时间瓦，若系统有超调，径系统正常稳定运行工况的 基石宙上，加入阶跃德不大的阶跃信号，当增加的阶跃信号晌应分量y ( r ) 双峰值衰减为 终除跃嚷嶷终篷静1 t 0 瓣，诧葬雩涎黠湖鞠霹歇为嚣；下强为输入痿号为5 0 2 v 瓣 伺服电机系统的阶跃响应曲线： ，一 ”+ 一一一”1 一”“”一一一。一“一一。“”一”。一一一”一。一一一一”一一一”一一 。一。 。一+ 一一一一一，一一一一一一一 ， 5 2 5 3 5 4 5 55 6 ，tsl 7 7。 图3 。2 + l + l 羧入篷号为5 0 2 v 潜鞫羧窀筑豹除跃镌应莹线 图3 2 1 1 中的输入信号u 。= 5 0 2 v ，采样时间t = 2 1 7 m s ；测得的数据如袭 3 。2 1 1 掰示，故可得到系统的过渡时间t * 1 2 m s 1 t2 t3 t4 t5 t 6 t7 t8 t l 摊( r m n )2 3 22 8 7 5 1 47 3 89 5 31 1 2 4| 1 9 81 2 0 2 估计厶的方法为：用不同周期的低振幅矩形波信号并髓加到稳定输入u 上，观 察系统对矩形挠动波韵响应。随着信号频率逐渐提高，晌成曲线上酌振荡逐渐减弱， 直至刚好者不出振荡时或振荡的值为终值的，对应的信号频带即为系统最高工l 乍 频率_ ，图3 2 1 2 为输入频率厂= 1 h z l t 寸，系统的响应曲线，图3 2 1 3 为输 入频率厂= 2 5 0 h z 甜，伺服电机的转速响碰曲线； 硕士论文数字伺服系统齿隙特性的研究 “、，、 支一z _ 一z ： 、 u 、 一一 一； 一i 一r 一， 一 鬟越越 拦璐描 撼 獬 i l 堍。，。 絮磷、芦：粥删孙嗡 图3 2 l tz ，= 嘣h z 羝统响应 爨3 。2 。1 3 ，= 2 5 。垃系统睫赢 图3 2 2 和图3 2 3 为在输入信号为5 0 0 v 的基础上增加了幅值为1 o o v 不同频率的 矩形波瑟产生的系统输出，可馥番寤，当输入频率f = l o h z 的辩加矩形脉冲波时， 联产生的系统输出范围之燕为2 5 0 r m i n ，当竣入频率f = 2 5 0 h z 麴辫热艇彤骧净波 时，所产生的系统输出范围之差为1 5 r m i n ，满足系统截止频率的要求，即凡：2 5 0 h z 为所要的截止频率。 二、伪随机信号输入参数的确定和输出数据测取。 采稻伪随机信号作为系统辨识的输入激励信号必须确定m 序列的相关参数如伪 随机序列的级数n ( 即确定m 序列的最大长度。) 以及孵镑周期。通避土露的预 备实验我们已经知道了被测系统的调节时间疋以及最高工作频率- ，0 。为了获得良好 的辨识效采，测试信号应能充分激励起被测系统在其通频带范围内所有频率下的动态 行为，这是选择m 序列信号参数和n 。的基本出发点。a 驰n 。的选取应满足 g o 3 l j m ，：( 1 t 2 ”) ； 根据式( 3 * 2 - 1 1 ) 和式( 3 。2 1 2 ) 以及上露实验测褥的疋郓厶撤褥 当伪随机j 葶列的级数为4 时，即n 。= 1 5 ，此时有0 9 6 m s 羔a 1 2 州s ： 蠢予系统自身采祥时间和枫械特往戬及为了使所测得系统模型更加准确，取 = 1 o r e s ，4 级伪随机序列作为系统的输入信号，取第3 级和第4 级的模2 和作为煞 1 级瓣反馈，掰产垒的麓序弼为： 硕士论文数字伺服系统齿隙特性的研究 u = 1 、1 、1 、l 、0 、0 、0 、1 、0 、0 、1 、1 、0 、l 、0 ； 实验时，我们应先给系统以预激励( 或预扰动) 。这是因为由于m 序列u ( t ) 实质上、 是周期信号，当输入到系统中以后，在输出端产生的响应y ( f ) 最终也必定是周期波形。 不过在f = 0 t 的过渡过程初始阶段内，还会出现一非周期衰减分量，使y ( r ) 不可能 作为平稳随机过程，因而不具有平稳性。由于已选定。 t ，当m 序列的第一个 周期度过，y ( f ) 已成为周期等于0 = n 。的周期信号后，即可认为_ y ( f ) 具备了平稳性。 这时再进行u ( t ) 和y ( t ) 之间的互相关运算才有意义。由此看来，施加m 序列信号的第 一个周期必须留作预扰动之用。为提高辨识精度，在预扰动之后一般测取3 4 个整 周期的输出信号y ( r ) 数据记录，供与m 序列输入信号u ( t ) 作互相关运算之用。 三伪随机序列的产生 伪随机序列一般用计算机或专门仪器产生伪随机二位式序列，根据本套装置的特 点，自行设计了用计算机产生了4 级的二位式伪随机序列，先把该m 序列存储在计 算机内部，利用p c l - - 8 1 2 p g 的d a 功能输出给变频器的控制端，该d a 的建立时 间约为3 0 u s 左右，因此在对系统进行采样时周期不能选的太小。 在生产现场试验和测试，不可能对系统单纯地输入一个伪随机二位式序列，应该 使系统首先运行于稳定状态( 给定输入信号为5 0 0 v ，电机的转速为1 2 0 0 ，m i n ) ，在 给定输入信号基础上在叠加上一幅值为1 o o v 的伪随机二位式序列。 四给系统以激励并且计算相关函数 把计算机产生的伪随机二进制序列经p c l - - 8 1 2 p g 板卡d a 转换送至变频器和 电机系统，用p a n a t e r m 软件可以实时的测得电机的转速，最后得到被测系统的4 级 伪随机序列响应如图3 2 1 4 所示： 图3 2 1 4 四级伪随机二进制序列的被测对象响应 从图中可以看出取了多个周期的序列组，为了计算方便，我们取第五和第六个周期的 测量数据来计算其相关函数，m 序列时钟脉冲周期= 1 0 m j ，其系统的采样周期为 堡主煎塞墼璺堡塑燕堑堂睦楚矍塑廷窒 珞：0 5 m s ，即在一个内可以采到系统的鼹个输出篷路，( r m i n ) ；表3 t 2 t1 2 绘出 了所采集的数据。本系统稳态输入值为u 。= 5 5 0 v ，输出值为n o = 1 3 5 0 r m i n ，附加 在竣入僮上瓣赞骧秘二短式黪列群 女) 弓l 越懿辕爨为f t a ( ) 。现在系统约输入为 u 。+ “( ) ，根据线性系统的叠加原理，输出魑) v ( ) = n 。+ ”。( 女) ；因此，在计算互相 关丞数霆蛐 ) 拜季，瘟在实际量溺翻熬输出( 龛) 中凳0 减去。表中的攒。( ，m i n ) 有鲡 下关系： 以胪盟掣业一“ 其中i 为采样次数，k 为m 序列的脉冲记数 豪3 2 1 2 嚣缀镄穗橇二遴镧穿麓被溺对象溺鬣值 采样点( i ) 糟，p r a i n ) “( 七) ”。p m i n ) 采样点( i ) h ，p r a i n )“( 七) n 。rr a i n ) 11 3 3 5 o 51 43 11 3 3 40 5。1 7 5 21 3 3 73 21 3 3 l 3 1 3 4 2 o 56 53 31 3 3 0o 51 6 5 41 3 4 53 41 3 3 7 51 3 5 8o 593 51 3 4 3o 53 61 3 6 03 61 3 5 2 7 1 3 7 5 o 。52 6 5 3 7 1 3 6 0o + 52 0 。5 81 3 7 83 81 3 8 l 91 3 8 9，0 54 03 91 3 8 9。o 54 3 1 01 3 9 14 01 3 9 7 l l 3 8 6o 53 34 11 3 9 60 54 4 5 1 2 1 3 8 04 21 3 9 3 1 31 3 7 50 51 3 54 31 3 7 8- 0 51 2 l | 1 3 5 24 41 3 5 8 1 51 3 4 00 51 4 4 51 3 4 l0 。51 3 + 1 61 3 3 24 61 3 3 4 1 71 3 1 8o 53 6 54 7 1 3 2 4o 52 8 。5 1 8 1 3 0 94 81 3 1 7 1 91 3 0 5o 54 9 。54 91 3 0 7。o 5 4 8 。5 2 01 2 9 8 5 01 2 9 6 2 |1 2 9 3o 56 0 5 5 l1 2 9 4o + 55 4 5 硕圭论文数字伺服系统裔隙特性的研究 2 21 2 8 65 21 2 8 7 2 31 2 9 l0 55 7 55 31 2 8 4 o 56 3 2 41 2 9 45 4i 2 9 0 2 5 1 3 0 9。臻5 3 9 。5 5 51 2 9 6。o 54 8 5 2 61 3 1 25 6 1 3 0 5 2 71 3 2 6o 5 ，2 2 55 71 3 1 20 53 6 5 2 81 3 2 95 8