基于信号特征的数控交流伺服进给系统摩擦建模与补偿研究

论文摘要

工作台进给系统广泛用于机械制造和加工过程中。该系统中存在的多种非线性特性，如摩擦、间隙、磁滞效应、饱和、未建模动态特性和外部扰动等，给系统的性能带来很大影响，其中非线性摩擦对系统运动控制性能的影响最为明显。在消除了滚珠丝杠螺距误差和间隙以后，高精度工作台伺服进给系统中存在的摩擦就成为影响运动控制精度的主要原因，如何有效的消除摩擦的影响已成为研究的关键问题。通过控制摩擦影响，实现期望的运行性能是机电伺服控制系统中一个具有重大科学意义和实际应用价值的研究课题。 本文以滚珠丝杠与直线滚动导轨组成的交流伺服驱动工作台进给系统为研究对象，进行摩擦测量、识别、建模和补偿技术的研究，从理论和实践上尝试给出利用多信号耦合特征的摩擦分析、建模以及补偿控制的方法。 首先利用激光多普勒仪对滚珠丝杠的螺距误差进行了测量与分析。基于测量结果的分析和补偿方法的理论分析，采用软硬结合的方法对不同性质的误差进行了分类补偿。通过采用加装原点开关和改进原点捕捉方法，有效提高了系统的重复定位精度；对于系统的周期性误差和偶然性误差，采用了一种误差前馈补偿控制方法；接着分析了其控制精度的改善和算法实现。在XY实验台上的补偿实验结果验证了补偿方法的有效性与理论分析的正确性，从而在不提高成本的情况下较好的改善了数控工作台定位精度。 详细分析了数控交流工作台进给系统的各个环节，建立了系统动力学模型，进行了系统参数辨识。利用交流伺服驱动器提供的力矩监控信号，测量出摩擦力(矩)和稳态速度之间的关系，根据实验测量数据建立了一个简化的Stribeck摩擦力模型，进行了交流伺服工作台进给系统摩擦特性建模仿真研究，证明了摩擦仿真模型的有效性，为摩擦补偿控制研究打下了必要的基础。 提出了利用小波分析提取交流伺服电流中摩擦影响的信息特征的方法，该方法能识别出从静摩擦力到动摩擦力转变过程中的信息特征，通过和位移输出信号变化对比分析说明伺服电流里包含摩擦力矩的变化信息，特别是它能提供静动摩擦力发生突变的时间位置；同时，从静摩擦力到动摩擦力转变过程中伺服电流存在突变，并且伺服电流中的突变总是提前于工作台的宏观运动时刻。接着，继续引入工作台的加速度信号，通过实际测试实验验证了工作台从静止到宏观运动的过渡时间与零速度时刻对应的加速度平方根的倒数成正比的定量关系，并且它不受负载变化影响。 从工程实用性的角度探索摩擦补偿方法，提出了带有摩擦前馈补偿的伺服控

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 工作台进给系统摩擦补偿控制技术的研究进展
• 1.2.1 摩擦模型的研究
• 1.2.2 摩擦补偿控制策略的研究
• 1.2.3 工作台进给系统中的摩擦补偿技术研究
• 1.3 课题的主要研究目标和意义
• 1.3.1 工作台进给系统摩擦补偿控制中主要问题
• 1.3.2 研究工作的目标与意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 滚珠丝杠螺距误差测量与补偿
• 2.1 滚珠丝杠螺距误差测量与补偿概述
• 2.2 基于激光多普勒仪的螺距误差测量和误差分析
• 2.2.1 激光多普勒测量仪的测量原理
• 2.2.2 测量系统简介
• 2.2.3 螺距误差测量结果和误差分析
• 2.3 滚珠丝杠重复定位精度的改善
• 2.4 滚珠丝杠螺距误差的前馈补偿
• 2.4.1 滚珠丝杠螺距误差前馈补偿原理
• 2.4.2 滚珠丝杠螺距误差前馈补偿方法的实现
• 2.4.3 滚珠丝杠螺距误差的前馈补偿结果与分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 数控交流伺服进给系统动力学模型的建立
• 3.1 交流伺服进给系统动力学模型
• 3.1.1 交流伺服电机矢量控制动力学模型
• 3.1.2 机械传动机构的动力学模型
• 3.2 交流伺服进给系统动力学模型参数辨识及仿真分析
• 3.2.1 关于线性模型的参数辨识
• 3.2.2 交流伺服工作台进给系统线性模型的简化
• 3.2.3 交流伺服工作台进给系统中的摩擦力测量
• 3.2.4 交流伺服工作台进给系统摩擦特性建模仿真分析
• 3.3 基于实验的问题提出
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于交流伺服电流的摩擦影响信息特征提取研究
• 4.1 小波分析理论
• 4.1.1 一维连续小波变换
• 4.1.2 多分辨率分析
• 4.1.3 一维小波分析用于信号处理
• 4.2 伺服电流中提取摩擦影响特征信息
• 4.2.1 交流伺服电流的测量
• 4.2.2 伺服电流的小波分析
• 4.2.3 与位移变化曲线的对比分析
• 4.3 摩擦的多信号耦合特征量关系的分析
• 4.3.1 过渡时间的估计
• 4.3.2 过渡时间和加速度关系的实验观察
• 4.4 本章小结
• 第5章 带有摩擦前馈补偿的伺服控制算法设计
• 5.1 摩擦前馈补偿控制的基本思想和方法
• 5.2 带有摩擦前馈补偿的伺服控制方法的设计
• 5.2.1 GT-400运动控制器伺服算法
• 5.2.2 命令前馈控制
• 5.2.3 摩擦干扰前馈控制
• 5.3 带有摩擦前馈补偿伺服控制方法的仿真研究
• 5.4 实验研究
• 5.4.1 实验装置介绍
• 5.4.2 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于预滑-滑动模型的自适应摩擦前馈补偿
• 6.1 引言
• 6.2 预滑-滑动摩擦力补偿模型的建立
• 6.2.1 预滑动阶段摩擦力模型
• 6.2.2 滑动阶段的摩擦力模型
• 6.3 基于预滑-滑动模型的自适应摩擦补偿方案研究
• 6.3.1 问题的描述
• 6.3.2 自适应非线性控制器的设计
• 6.3.3 提高工作台定位精度的总体控制方案
• 6.4 基于预滑-滑动模型的摩擦补偿方案的仿真研究
• 6.5 实验研究
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 致谢