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伺服驱动器速度前馈与力矩前馈
发布时间:2020-05-11 09:53:03 | 浏览次数:

1 交流伺服电机控制模型

交流伺服电机数学模型是一个多变量、强耦合复杂的非线性系统。为了对该复杂系统实现较高性能的控制,需要将三相静止坐标系下的数学模型变换到两相旋转坐标系下,进而分别对励磁电流分量和转矩电流分量分开控制,即控制电机的励磁和转矩[7]。以下直接给出交流伺服电机在两相静止坐标系下的数学模型:

电压方程为:

运动方程为:

本文构建交流伺服三闭环控制系统,如下图1所示:

图1 交流伺服三闭环控制框图

2 前馈控制

2.1 传统前馈控制

图1所示的交流伺服三闭环控制系统中,由位置环、速度环、电流环构成,三环均采用反馈控制结构,稳态跟踪误差较大,动态跟踪性能较差,无法满足目前高性能的设备要求。针对这些存在的不足,给出以下带有前馈控制的控制框图:

图2 传统前馈控制框图

图2中,1点为位置指令,2点为速度前馈,3点为转矩前馈,通过对位置指令进行微分得到2和3,加上一定的滤波,这是一般的传统前馈控制方法,其他大多数的前馈控制改进也是在此基础上加以改良。通过微分位置指令提取得到的前馈量在时序上存在至少一个控制周期,如下给出部分梯形曲线规划的位置指令以及微分得到的前馈量示意图:

图3 传统位置指令及前馈量时序示意图

从图3可以看出微分得到的速度前馈和转矩前馈在时序上均滞后位置指令,并非同步输出,加上平滑滤波环节,在控制上产生一定的延时必然达不到前馈控制的最佳效果。

2。2 新型前馈控制

为了解决上述传统前馈控制在时序上的滞后缺陷,针对总线伺服驱动器位置轨迹规划在驱动器内部的特点,以CANopen伺服驱动器为对象,作如下改进:

图4新型前馈控制框图

图4中,1点为CANopen主控装置发送的目标位置、目标速度、目标加减速度以及控制字等命令,由于轨迹规划器在驱动器内实现,驱动器可以按照接受到的相关命令同步规划出3点位置指令、4点速度前馈以及5点转矩前馈,时序示意图如下:

图5 新型位置指令及前馈量时序示意图

从图5中可以看到,t1位置指令规划起始时刻,同步开始规划速度前馈和转矩前馈,以至于加速段、匀速段、减速段均同步于位置指令规划,并非对位置指令前后控制周期作差求微分的传统方式。

3 冲压机械手应用实验

利用CANopen伺服驱动器驱动三轴冲压机械手,在该冲压机械手上分别做传统前馈控制和新型前馈控制的应用试验对比。

图6给出了冲压机械手真实图形,其中包括摆臂轴、上下轴、伸缩轴,分别由三台CANopen伺服驱动器来驱动:

以下给出三个轴分别用传统前馈控制和新型前馈控制下均给予300%速度前馈量的波形以及局部放大波形如下,其中横坐标为时间(ms):

3.1 摆臂轴

图7传统前馈控制波形

图8 新型前馈控制波形

3.2 上下轴

图9 传统前馈控制波形

图10 新型前馈控制波形

3。3 伸缩轴

图11 传统前馈控制波形

图12 新型前馈控制波形

3.4 数据对比

从以上图7至图12提炼出定位到位置误差为100脉冲时的定位时间:

从以上图7至图12提炼出各轴加速到最大速度时的最大位置误差脉冲数:

以上为前馈控制量的比例为300%下的数据,当该比例值设置更高时,提升值效果更明显。

4 结论

在总线伺服系统越来越成为热门应用市场方案时,高动态性和高定位精度均被提出更高要求。采用前馈控制不仅能实现无超调的准确定位,同时也能满足提高伺服系统动态性能的目的。本文针对总线伺服驱动器对于曲线规划的特殊性,提出了新型前馈控制方法,并与传统前馈控制方法比较,应用实验数据表面,该方法优化了速度前馈量和转矩前馈量的提取,并提高了伺服系统的跟随性和动态性。

 
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