數(shù)控伺服系統(tǒng)中噪聲擾動信號的補償控制方法

趙國勇，安紅靜，徐紅芹

(山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博 255049)

數(shù)控伺服系統(tǒng)中噪聲擾動信號的補償控制方法

趙國勇，安紅靜，徐紅芹

(山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博 255049)

加在數(shù)控機床伺服系統(tǒng)驅(qū)動單元的電氣接口及元件上的各種噪聲擾動信號，會降低進(jìn)給伺服系統(tǒng)跟蹤精度。分析噪聲擾動對伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響，提出一種針對噪聲擾動信號觀測與補償?shù)目刂品椒ā７抡嬖囼灡砻?所提出的方法能有效減小擾動信號影響，提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的抗干擾能力。

伺服系統(tǒng);噪聲擾動;觀測與補償;跟蹤誤差

噪聲通常定義為信號中的無用成分，噪聲無處不在［1］。在數(shù)控機床及其周圍環(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［2］。

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)行補償是一種減少擾動影響、進(jìn)而提高系統(tǒng)魯棒性的辦法［3］。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的速度控制［4］;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［5］;LU

等采用滑模重復(fù)控制理論研究了擾動信號觀測器［6］;董明曉等結(jié)合混合靈敏度設(shè)計方法，設(shè)計了數(shù)控機床伺服 H∞魯棒控制器［7］。

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轉(zhuǎn)動角位移，將噪聲擾動觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。針對典型鋸齒波噪聲擾動信號做了仿真試驗。

1 數(shù)控伺服系統(tǒng)模型以及電氣擾動影響

圖1 帶噪聲擾動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

先證明噪聲擾動信號產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。將噪聲擾動簡化為階躍信號n(t)=M·1(t)，其中M為常數(shù)。取拉式變換，N(s)=M/s，由圖1可得擾動作用下跟蹤誤差傳遞函數(shù)φe(s)，再由終值定理可得在階躍噪聲擾動作用下穩(wěn)態(tài)誤差:

從式 (1)看出: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)。

2 噪聲擾動觀測與補償方法

在圖1所示的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，加入噪聲擾動觀測和補償環(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轉(zhuǎn)動角位移，將擾動信號N(s)觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。

圖2 噪聲擾動的觀測與補償

在未加入噪聲擾動以及觀測補償部分時，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

由式(3)—(5)可得加入噪聲擾動以及觀測與補償器后系統(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償方法可以補償擾動影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

3 噪聲擾動觀測與補償方法仿真

圖2中Ga(s)為位置控制器環(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2 s，如圖3所示。

圖3 典型鋸齒波擾動信號

圖4 未加擾動信號時跟蹤誤差

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±0.006 mm范圍內(nèi);當(dāng)加入噪聲擾動信號但不進(jìn)行擾動觀測與補償時，跟蹤誤差如圖5所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.02 mm范圍內(nèi);當(dāng)采用文中噪聲擾動觀測與補償方法后，跟蹤誤差如圖6所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.007 mm范圍內(nèi)。對比說明所研究噪聲擾動觀測與補償方法，可有效提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖5 加擾動信號未補償時跟蹤誤差

圖6 加擾動信號并補償時跟蹤誤差

4 結(jié)論

噪聲信號無處不在，在數(shù)控機床伺服系統(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，而是從軟件補償角度，設(shè)計了一種針對噪聲擾動的觀測與補償方法:通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓和伺服電機轉(zhuǎn)動角位移，將噪聲擾動觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。針對典型鋸齒波擾動信號的仿真表明:所提出觀測與補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)的一個有益補充。

［1］ LIU Chunfang，XING Yinlong.Gantry Mobile Machining Center Magnetic Suspension System Fuzzy Synchronization Control Based on Disturbance Observer［J］.Advanced Materials Research，2012，433 －440:7407 －7412.

［2］朱玉堂，許力.變頻器的電磁兼容及抑制［J］.機電工程，2005，22(5):40 －43.

［3］YIJingang，CHANG Steven，SHEN Yantao.Disturbance-observer-based Hysteresis Compensation for Piezoelectric Actuators［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2009，14(4):456 －464.

［4］KIM Euntai，LEE S.Output Feedback Tracking Control of MIMO Systems Using a Fuzzy Disturbance Observer and Its Application to the Speed Control of a PM Synchronous Motor［J］.IEEE Transactions on Fuzzy Systems，2005，13(6):725－741.

［5］RYOO Jung Rae，DOH Tae-Yong，CHUNG Myung Jin.Robust Disturbance Observer for the Track-following Control System of an Optical Disk Drive［J］.Control Engineering Practice，2004，12(5):577 －585.

［6］LU Y-S，CHENG C-M.Disturbance-observer-based Repetitive Control with Sliding Modes［C］//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，2005:1360－1365.

［7］董明曉，鄭康平，王小椿.交流位置伺服系統(tǒng)的H∞魯棒控制研究［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2004，23(5):517 －518.

［8］金鈺，胡佑德，李向春.伺服系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2004.

Compensation Control Method of Noise Disturbance Signals in CNC Servo System

ZHAO Guoyong，AN Hongjing，XU Hongqin
(Department of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255049，China)

The noise disturbance signals in CNCmachine tool servo system electrical interfaces and components will reduce the tracking accuracy of servo feed system.The influence of noise disturbances on the servo system tracking precision was analyzed，and a noise disturbances observation and compensation controlmethod was presented.Simulation results show that the proposed method can be used to effectively improve the tracking accuracy of servo feed system，and enhance the anti-disturbance ability.

Servo system;Noise disturbance;Observation and compensation;Tracking error

TG801

A

1001－3881(2014)10－156－2

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.047

2013－04－02

山東省高校科技計劃項目 (J09LD51)

趙國勇 (1976—)，男，博士，副教授，研究方向為機械制造及其自動化技術(shù)。E－mail:zgy709@126.com。