数控伺服系统摩擦前馈与命令前馈补偿研究

摘要

近年来随着产品加工效率和加工精度指标的提高，对数控机床等机械系统的控制提出了高速化、高精度化的强烈要求。研究表明，非线性摩擦和跟踪滞后是影响它们性能提高的两大主要障碍。由于摩擦在低速时表现出强烈的非线性特性，会使系统在启停和换向时产生爬行、振荡等现象。数控机床中，高速加工需要机床的快速移动，而随着系统移动速度的提高，轴跟踪滞后随之增大，由此产生较大的轮廓误差。合理地解决机械系统中存在的摩擦环节尤其是非线性摩擦环节和轴跟踪滞后的问题成为当前研究的热点。
　　论文在分析了国内外数控伺服系统非线性摩擦补偿和跟踪滞后补偿的基础上，设计了基于摩擦模型的摩擦前馈补偿补偿器，来补偿非线性摩擦环节对伺服性能的影响；设计了命令前馈补偿器，减小伺服系统在高速运动时的跟踪滞后。两个前馈补偿器的设计是基于各轴的摩擦模型和转动惯量等参数，因此本课题还重点研究了数控伺服系统摩擦模型和转动惯量的参数辨识问题。主要完成了以下工作：
　　(1)建立了数控伺服系统的模型，并将该高阶模型进行简化。采用得到的模型，分析了非线性摩擦和跟踪滞后对伺服系统跟踪性能的影响。
　　(2)选用Stribeck摩擦模型，基于该模型，设计了摩擦前馈补偿控制器。对摩擦模型的参数，采用扩展卡尔曼滤波器来估计。
　　(3)分析了引起轴跟踪滞后的原因，提出用速度前馈补偿和加速度前馈补偿来减小、消除伺服的滞后，并设计了命令前馈补偿控制器。命令前馈补偿系数与伺服的转动惯量等有关，系统的转动惯量采用ARMAX方法来估计，以适应转动惯量变化的情况。
　　(4)针对一个存在非线性摩擦和伺服滞后的数控伺服系统，采用本文的补偿方案，通过仿真，验证了本文所提方案的有效性。

目录

数控伺服系统摩擦前馈与命令前馈补偿研究

A STUDY ON FRICTION FEEDFORWARDAND COMMAND FEEDFORWARDCOMPENSATION FOR CNC SERVOSYSTEM

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源与研究目的及意义

1.2 国内外的研究现状及分析

1.2.1 摩擦补偿

1.2.2 跟踪滞后补偿

1.3 本文主要研究内容

第2章 数控系统伺服进给模型及跟踪误差分析

2.1 引言

2.2 交流伺服进给系统模型

2.2.1 交流伺服电机模型

2.2.2 机械传动机构的动力学模型

2.3 摩擦和跟踪滞后对数控跟踪的影响

2.4 本章小结

第3章 数控伺服系统跟踪误差前馈补偿器的设计

3.1 引言

3.2 数控伺服摩擦前馈补偿器设计

3.3 数控伺服命令前馈补偿器设计

3.3.1 速度回路的命令前馈控制器设计

3.3.2 位置回路的命令前馈控制器设计

3.4 总体补偿方案

3.5 本章小结

第4章 数控伺服系统模型参数估计方法研究

4.1 引言

4.2 递推最小二乘估计

4.2.1 最小二乘估计器的设计

4.2.2 ARMAX最小二乘估计的仿真分析

4.3 摩擦模型参数的扩展卡尔曼滤波

4.3.1 非线性连续系统的扩展卡尔曼滤波方程

4.3.2 EKF的可观测性和稳定性分析

4.3.3 摩擦模型参数估计的EKF设计

4.3.4 EKF参数估计的仿真分析

4.4 本章小结

第5章 跟踪误差前馈补偿的研究

5.1 引言

5.2 影响补偿参数估计的因素

5.2.1 影响最小二乘法参数估计的因素

5.2.2 影响EKF估计的因素

5.3 补偿方案的精度分析

5.4 参数的自适应调整

5.5 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢