伺服電機(jī)噪音的解決方法
噪聲通常定義為信號中的無用成分,噪聲無處不在。在數(shù)控機(jī)床及其周圍環(huán)境中,噪聲擾動是不可避免的,噪聲擾動包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動信號等。各種噪聲擾動信號必然會降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。在數(shù)控機(jī)床控制柜中,一般采用接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)來消除噪聲擾動信號的影響。
針對各種擾動信號設(shè)計擾動觀測器并在伺服控制系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償是一種減少擾動影響、進(jìn)而提高系統(tǒng)魯棒性的辦法。國內(nèi)外許多學(xué)者針對伺服控制中擾動信號,進(jìn)行了補(bǔ)償控制方法研究。KIM等設(shè)計了一個模糊擾動觀測器,用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反饋跟蹤控制,將模糊擾動觀測器用于永磁同步電機(jī)的速度控制;RYOO等設(shè)計了一個魯棒擾動觀測器,在光盤驅(qū)動器系統(tǒng)的磁道跟蹤控制中進(jìn)行了實驗;LU等采用滑模重復(fù)控制理論研究了擾動信號觀測器;董明曉等結(jié)合混合靈敏度設(shè)計方法,設(shè)計了數(shù)控機(jī)床伺服H∞魯棒控制器。
文中分析了噪聲擾動對伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響,提出了一種針對噪聲擾動信號觀測與補(bǔ)償?shù)目刂品椒?通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動角位移,將噪聲擾動觀測出來,并將擾動補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補(bǔ)償。針對典型鋸齒波噪聲擾動信號做了仿真試驗。
數(shù)控伺服系統(tǒng)模型以及電氣擾動影響
帶噪聲擾動的半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)方框簡圖。設(shè)來自插補(bǔ)器的位置指令信號為X(s),伺服電機(jī)角位移輸出信號為Y(s),設(shè)位置控制環(huán)節(jié)采用比例控制,傳遞函數(shù)為噪聲擾動信號產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差與擾動信號本身有關(guān),還與N(s)在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中作用點之前的部分有關(guān)。
噪聲擾動觀測與補(bǔ)償方法
進(jìn)給伺服系統(tǒng)中,加入噪聲擾動觀測和補(bǔ)償環(huán)節(jié)。如圖2所示,通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓信號和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動角位移,將擾動信號N(s)觀測出來,并將擾動補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補(bǔ)償。
由式(3)—(5)可得加入噪聲擾動以及觀測與補(bǔ)償器后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s),與式(2)完全一致,說明圖2所示針對噪聲擾動的觀測與補(bǔ)償方法可以補(bǔ)償擾動影響,提高系統(tǒng)抗干擾能力。
噪聲擾動觀測與補(bǔ)償方法仿真
位置控制器環(huán)節(jié),采用PID控制,比例系數(shù)為8.1,積分系數(shù)為0.002,微分系數(shù)為0.032。對噪聲擾動進(jìn)行觀測補(bǔ)償仿真研究時,設(shè)位置指令輸入信號為2sin(0.4πt);噪聲擾動為鋸齒波信號,幅值為0.5,周期為2s。
當(dāng)不考慮噪聲擾動信號時,伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟蹤誤差如圖4所示,系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.006mm范圍內(nèi);當(dāng)加入噪聲擾動信號但不進(jìn)行擾動觀測與補(bǔ)償時,跟蹤誤差如圖5所示,系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.02mm范圍內(nèi);當(dāng)采用文中噪聲擾動觀測與補(bǔ)償方法后,跟蹤誤差如圖6所示,系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.007mm范圍內(nèi)。對比說明所研究噪聲擾動觀測與補(bǔ)償方法,可有效提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的抗干擾能力。
結(jié)論
噪聲信號無處不在,在數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)驅(qū)動器接口處,噪聲擾動包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動信號等。各種噪聲擾動信號必然會降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。文中不是從硬件,而是從軟件補(bǔ)償角度,設(shè)計了一種針對噪聲擾動的觀測與補(bǔ)償方法:通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動角位移,將噪聲擾動觀測出來,并將擾動補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補(bǔ)償。針對典型鋸齒波擾動信號的仿真表明:所提出觀測與補(bǔ)償方法能有效提高跟蹤精度,提高系統(tǒng)抗干擾能力。該方法是對硬件抗擾動技術(shù)的一個有益補(bǔ)充。
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