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速度前饋；轉(zhuǎn)矩前饋；傳統(tǒng)微分；新型前饋；沖壓機(jī)械手
摘要：本文分析伺服系統(tǒng)中速度前饋和轉(zhuǎn)矩前饋的原理及作用，針對傳統(tǒng)微分提取速度和轉(zhuǎn)矩前饋量的控制方法存在的不足以及總線伺服系統(tǒng)位置軌跡規(guī)劃在驅(qū)動器內(nèi)部的特殊性提出了一種新型速度和轉(zhuǎn)矩前饋量的提取方法，并在三軸沖壓機(jī)械手上進(jìn)行了應(yīng)用測試，對比每軸測試結(jié)果證實(shí)本文方法的可行性和優(yōu)越性。
Analysis and Application of Feedforward Control based on Bus Servo System
Author1 author2
(Leadshine Technology Co., Ltd, ShenZhen 518055)
Abstract This paper analyzed the principles and functions of velocity and torque feedforward in servo system, according to the shortcomings of the traditional control method on differential extracting speed and torque feedforward value and the bus servo system special characteristics of position trajectory planning, proposed a new extracting method of velocity and torque feedforward value. Application test on three-axis punching machine and comparing each axis test result, confirming feasibility and superiority of this method.
Keywords：velocity feedforward; torque feedforward; traditional differential; new feedforward; punching machine
隨著我國“工業(yè)4.0”和“中國智造2025”等口號的推出，工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谒欧?qū)動技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)脈沖型伺服系統(tǒng)由于接線復(fù)雜、可靠性低、多軸運(yùn)動系統(tǒng)等無法滿足市場要求，總線伺服系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。但數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人對伺服系統(tǒng)提出了高速率、高精度、無超調(diào)、快速定位的要求。
目前一般伺服驅(qū)動技術(shù)采用的是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)反饋控制，加上速度前饋和轉(zhuǎn)矩前饋控制[1][2][3]，前饋控制的加入提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤特性。文獻(xiàn)[4]提出在前饋控制的基礎(chǔ)上引入位置微分負(fù)反饋，克服了前饋控制對非連續(xù)位置響應(yīng)的大超調(diào)性。文獻(xiàn)[5]針對速度前饋和轉(zhuǎn)矩前饋組成的雙前饋控制與速度前饋和加速度前饋組成的雙前饋控制技術(shù)進(jìn)行比較，說明后者雙前饋控制更能提高伺服系統(tǒng)跟蹤機(jī)動目標(biāo)的能力。文獻(xiàn)[6]中不僅加入了速度和加速度前饋，還加入了位置前饋控制，實(shí)驗(yàn)表明了位置前饋控制器可以滿足高性能伺服定位的要求，不僅可以用于點(diǎn)位控制還能用于插補(bǔ)控制中的輪廓控制。但以上不論是速度前饋、轉(zhuǎn)矩前饋還是加速度前饋，都是采用的對位置指令進(jìn)行微分運(yùn)算得到速度前饋量，對該速度前饋量微分得到加速度前饋量，還是直接對位置指令進(jìn)行二次微分得到的轉(zhuǎn)矩前饋量，無一不例外的是采用微分提取方法。
本文針對上述前饋量的傳統(tǒng)提取方法提出了一種在以總線伺服驅(qū)動裝置為平臺的提取方法，該方法并在沖壓機(jī)械手上應(yīng)用，與傳統(tǒng)微分前饋控制方法應(yīng)用效果進(jìn)行對比。
1 交流伺服電機(jī)控制模型
交流伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個多變量、強(qiáng)耦合復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。為了對該復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高性能的控制，需要將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，進(jìn)而分別對勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量分開控制，即控制電機(jī)的勵磁和轉(zhuǎn)矩[7]。以下直接給出交流伺服電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：
電壓方程為：
運(yùn)動方程為：
本文構(gòu)建交流伺服三閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖1所示：
圖1 交流伺服三閉環(huán)控制框圖
2 前饋控制
2.1 傳統(tǒng)前饋控制
圖1所示的交流伺服三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)構(gòu)成，三環(huán)均采用反饋控制結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差較大，動態(tài)跟蹤性能較差，無法滿足目前高性能的設(shè)備要求。針對這些存在的不足，給出以下帶有前饋控制的控制框圖：
圖2 傳統(tǒng)前饋控制框圖
圖2中，1點(diǎn)為位置指令，2點(diǎn)為速度前饋，3點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩前饋，通過對位置指令進(jìn)行微分得到2和3，加上一定的濾波，這是一般的傳統(tǒng)前饋控制方法，其他大多數(shù)的前饋控制改進(jìn)也是在此基礎(chǔ)上加以改良。通過微分位置指令提取得到的前饋量在時序上存在至少一個控制周期，如下給出部分梯形曲線規(guī)劃的位置指令以及微分得到的前饋量示意圖：
圖3 傳統(tǒng)位置指令及前饋量時序示意圖
從圖3可以看出微分得到的速度前饋和轉(zhuǎn)矩前饋在時序上均滯后位置指令，并非同步輸出，加上平滑濾波環(huán)節(jié)，在控制上產(chǎn)生一定的延時必然達(dá)不到前饋控制的最佳效果。
2.2 新型前饋控制
為了解決上述傳統(tǒng)前饋控制在時序上的滯后缺陷，針對總線伺服驅(qū)動器位置軌跡規(guī)劃在驅(qū)動器內(nèi)部的特點(diǎn)，以CANopen伺服驅(qū)動器為對象，作如下改進(jìn)：
圖4新型前饋控制框圖
圖4中，1點(diǎn)為CANopen主控裝置發(fā)送的目標(biāo)位置、目標(biāo)速度、目標(biāo)加減速度以及控制字等命令，由于軌跡規(guī)劃器在驅(qū)動器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動器可以按照接受到的相關(guān)命令同步規(guī)劃出3點(diǎn)位置指令、4點(diǎn)速度前饋以及5點(diǎn)轉(zhuǎn)矩前饋，時序示意圖如下：
圖5 新型位置指令及前饋量時序示意圖
從圖5中可以看到，t1位置指令規(guī)劃起始時刻，同步開始規(guī)劃速度前饋和轉(zhuǎn)矩前饋，以至于加速段、勻速段、減速段均同步于位置指令規(guī)劃，并非對位置指令前后控制周期作差求微分的傳統(tǒng)方式。
3 沖壓機(jī)械手應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
利用CANopen伺服驅(qū)動器驅(qū)動三軸沖壓機(jī)械手，在該沖壓機(jī)械手上分別做傳統(tǒng)前饋控制和新型前饋控制的應(yīng)用試驗(yàn)對比。
圖6給出了沖壓機(jī)械手真實(shí)圖形，其中包括擺臂軸、上下軸、伸縮軸，分別由三臺CANopen伺服驅(qū)動器來驅(qū)動：
以下給出三個軸分別用傳統(tǒng)前饋控制和新型前饋控制下均給予300%速度前饋量的波形以及局部放大波形如下，其中橫坐標(biāo)為時間(ms)：
3.1 擺臂軸
圖7傳統(tǒng)前饋控制波形
圖8 新型前饋控制波形
3.2 上下軸
圖9 傳統(tǒng)前饋控制波形
圖10 新型前饋控制波形
3.3 伸縮軸
圖11 傳統(tǒng)前饋控制波形
圖12 新型前饋控制波形
3.4 數(shù)據(jù)對比
從以上圖7至圖12提煉出定位到位置誤差為100脈沖時的定位時間：
從以上圖7至圖12提煉出各軸加速到最大速度時的最大位置誤差脈沖數(shù)：
以上為前饋控制量的比例為300%下的數(shù)據(jù)，當(dāng)該比例值設(shè)置更高時，提升值效果更明顯。
4 結(jié)論
在總線伺服系統(tǒng)越來越成為熱門應(yīng)用市場方案時，高動態(tài)性和高定位精度均被提出更高要求。采用前饋控制不僅能實(shí)現(xiàn)無超調(diào)的準(zhǔn)確定位，同時也能滿足提高伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的目的。本文針對總線伺服驅(qū)動器對于曲線規(guī)劃的特殊性，提出了新型前饋控制方法，并與傳統(tǒng)前饋控制方法比較，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面，該方法優(yōu)化了速度前饋量和轉(zhuǎn)矩前饋量的提取，并提高了伺服系統(tǒng)的跟隨性和動態(tài)性。
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