液體靜壓支承平臺的直驅(qū)低速性能影響因素分析*

陳東生 吉 方 藍 河

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

由于液體靜壓相對于氣體靜壓導軌具有剛度大、阻尼高、受外界干擾小的特點，應用中能夠得到更高的控制精度，對于加工機床多采用液體靜壓支承導軌。液靜壓導軌系統(tǒng)中，導軌采用了一層帶有壓力的油膜，該油膜均勻地分布在導軌接觸面上，可使運動部件在油膜上滑動，由于導軌表面之間不發(fā)生直接接觸，因此導軌操作時不會磨損，而且，由于運動部件懸浮在油膜上滑動，從而減小了振動對機床所產(chǎn)生的影響。液靜壓導軌的驅(qū)動需要滿足超精密加工的需要，對于進給驅(qū)動用伺服系統(tǒng)的性能主要有以下兩個方面的要求:(1)有穩(wěn)定平滑的瞬態(tài)響應，尤其是低速平滑性;(2)要求其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)位置跟隨誤差小，以獲得高精度的定位和跟蹤控制性能。

導軌的驅(qū)動形式主要有滾珠絲杠、液體靜壓絲杠、直線電動機直接驅(qū)動等方式。直線電動機驅(qū)動消除了中間傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、摩擦小、無齒隙誤差響應快、精度高。但其結(jié)構(gòu)上的簡化必然增加控制上的難度，中間環(huán)節(jié)的消除使得外部干擾無衰減地直接作用于直線電動機，影響機構(gòu)的伺服控制性能。筆者針對液靜壓導軌支承平臺的直線電動機驅(qū)動性能，從整個液靜壓支承平臺的機電特性出發(fā)，對驅(qū)動系統(tǒng)各部分對性能的影響進行分析。

1 直線電動機驅(qū)動的液靜壓支承平臺的動力學模型分析

單純對直線電動機驅(qū)動進行分析是沒有實際意義的，必須針對實際的負載和支承結(jié)構(gòu)，并對伺服驅(qū)動連接的機械進行分析。直線電動機的驅(qū)動對象是液靜壓支承導軌，液靜壓導軌的阻尼比較高，對驅(qū)動系統(tǒng)而言產(chǎn)生了一個較大的摩擦阻力ffric(x·)，在加工時產(chǎn)生一個負載切削力fload(t)，直線電動機動子運動會產(chǎn)生一個紋波推力fripp(x)，加工時還會受到其他的運動平臺中的拖鏈及線纜摩擦等外部干擾力fn(t)。系統(tǒng)要想運行在穩(wěn)定狀態(tài)(恒速運行狀態(tài)和定位運動狀態(tài))，根據(jù)動力學方程，力的矢量和必須為零。液靜壓導軌支承的永磁同步直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)的動力學方程如下:

對于液靜壓平臺的驅(qū)動性能而言，就是看x··的特性如何，加速度為零，平臺勻速運動;加速度大，平臺動態(tài)性能好;電動機驅(qū)動力f(t)需要實時平衡外部的切削力、導軌摩擦力(油膜的粘性剪切阻力)、電動機紋波推力、運動平臺中的拖鏈及線纜摩擦等外部擾動，從而獲得系統(tǒng)需要的x··。為此，要獲得優(yōu)良的驅(qū)動特性，從動力學分析來看，首先要盡量減小外部力的擾動，即切削力恒定、導軌油膜的粘性剪切阻力變化很小、齒槽磁阻效應和端部效應引起的氣隙磁場密度不均勻或不對稱而造成的紋波推力穩(wěn)定、平臺拖鏈及線纜摩擦力小或穩(wěn)定;其次是電動機的驅(qū)動力要根據(jù)外部變化力快速穩(wěn)定的輸出(高動態(tài)響應)、并且輸出穩(wěn)定可控。

2 液靜壓支承平臺的直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)

通過前面力學分析，改善直驅(qū)性能，非常重要的一點是要對電動機的驅(qū)動力能夠準確穩(wěn)定地控制。驅(qū)動力的控制受哪些關鍵因素影響?這需要通過分析直接驅(qū)動進給伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)組成，如圖1 所示。

高精度直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，直線光柵尺位置反饋，霍爾元件電動機換相，電流環(huán)在驅(qū)動器內(nèi)實現(xiàn)，速度環(huán)與位置環(huán)通過UMAC 控制器來實現(xiàn)。

直線電動機驅(qū)動的工作臺通過高精度光柵尺獲得實時位置反饋。全閉環(huán)控制輸出實時驅(qū)動電壓，直線電動機通過驅(qū)動電壓產(chǎn)生實時推力。從驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，驅(qū)動力的控制取決于驅(qū)動電壓的準確性能、光柵尺的反饋精度以及優(yōu)良的控制算法。

3 驅(qū)動性能影響因素分析

3.1 檢測元件反饋信號

由于直線電動機自身的電磁場會對位置傳感器產(chǎn)生一定的干擾，直線電動機驅(qū)動的精密位移機構(gòu)一般不選用感應同步尺、磁柵等利用電磁感應原理工作的元器件，而選擇利用光電轉(zhuǎn)換原理工作的高精度光柵尺。在直線電動機閉環(huán)控制中，光柵的信號作為控制的唯一反饋輸入，它的優(yōu)劣直接影響到最終的控制性能。光柵尺的輸出信號類型，常用的有兩種:一種是經(jīng)過信號細分處理的TTL 數(shù)字信號，另一種是沒經(jīng)過細分處理的1Vpp 模擬信號。

筆者專門就光柵尺信號做過一些對比實驗，得出以下的分析結(jié)論:

(1)光柵尺信號是反饋給驅(qū)動器用的，這存在一個信號傳輸與檢測問題，1Vpp 模擬信號的傳輸相對于TTL 數(shù)字信號要求更加嚴格。TTL 信號可以被驅(qū)動器四倍頻后直接使用，但由于信號是提前細分，并且在驅(qū)動器檢測時采用數(shù)字電路檢測，必定有一個延時，這就導致了控制的滯后。而1Vpp 模擬信號是驅(qū)動器內(nèi)部細化后直接用于控制輸入，信號的延時要小一些。對于高精度的直線電動機控制最好采用1Vpp 模擬信號輸出的光柵尺。

(2)光柵尺的精度及分辨率對控制性能影響，總的來講，分辨率越高，控制精度會更高，但也受限于機構(gòu)的特性，到一定的程度，分辨率過高反而會減小系統(tǒng)的剛度，采用控制參數(shù)提高剛度又會減小系統(tǒng)的帶寬，這需要綜合考慮。

(3)另外驅(qū)動器對光柵尺輸出信號的處理性能也大大影響到最終的控制性能。無論是采用TTL 信號還是采用1Vpp 信號，驅(qū)動器如果沒有濾波處理功能，將會影響到信號的準確性能，也影響到最終的控制性能。

3.2 電動機功率變換器

功率變換器是電動機控制系統(tǒng)中一個重要的組成部分，它直接影響到電動機的控制精度及響應特性。當前的直線電動機驅(qū)動的功率變換器有兩種類型，一種是線性驅(qū)動，一種是PWM 驅(qū)動。線性驅(qū)動的優(yōu)點是電流紋波小、控制精度高，缺點是效率低，在大容量高電壓條件下，較大一部分功率被功率管消耗掉了，所以適用于小功率場合。PWM 功率變換器的特點是功耗小、效率高，缺點是開關干擾嚴重、精度較差，在要求極高的定位精度以及平滑運行的場合，由于PWM 斬波引起的電流脈動以及為防止橋臂短路而設定的死區(qū)時間引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得驅(qū)動系統(tǒng)達不到所需要的性能，高頻化的PWM 功率變換器會引起電動機轉(zhuǎn)矩脈動，使噪聲增大，影響了定位精度和穩(wěn)定性。

因此，當需要電機進行低速精確定位或高速精密勻速運行時，最好采用線性放大模式的功率變換器。圖2 為相同液體靜壓支承實驗平臺、相同進給速度下采用不同功率變換器系統(tǒng)采集的速度誤差曲線。

采用PWM 功率變換器來驅(qū)動平臺，進給速度16 μm/s，速度波動±27 μm/s，采用線性功率變換器驅(qū)動時，進給速度16 μm/s，速度波動±10 μm/s。在低速下對線性驅(qū)動的速度穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于PWM 驅(qū)動。

3.3 控制模式及伺服參數(shù)的影響

前面分析了電動機的輸入與輸出的影響，最為重要的是如何去根據(jù)輸入來響應輸出。這就是驅(qū)動控制算法。

對于直接驅(qū)動負載，各種擾動將毫無任何緩沖的直接作用于直線電動機。為此系統(tǒng)不設計簡單的單一回路結(jié)構(gòu)，而是采用多環(huán)路結(jié)構(gòu)，即將系統(tǒng)設計為串級控制系統(tǒng)。采用具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，設計用一快速回路來抑制干擾，干擾作用在電流環(huán)以內(nèi)，如電網(wǎng)電壓的波動，則電流環(huán)內(nèi)環(huán)能夠及時調(diào)節(jié)，以減小轉(zhuǎn)速的變化，而不會對速度環(huán)及位置環(huán)產(chǎn)生干擾。如果干擾作用在電流環(huán)以外，如負載擾動，則靠速度環(huán)進行調(diào)節(jié)，這時干擾量在下級局部調(diào)節(jié)環(huán)中已得到控制，而沒有必要經(jīng)過整個調(diào)節(jié)對象就很快被補償了。主環(huán)路及位置環(huán)選用較窄的帶寬以保證精度。

對于控制器參數(shù)優(yōu)化的通常方法是逐漸增大速度與位置環(huán)的PID 的增益，同時在示波器上監(jiān)測系統(tǒng)的響應，開始把比例增益增大到不產(chǎn)生振蕩情況下的最大值，其次增大積分增益來減小誤差直到系統(tǒng)進到不穩(wěn)狀態(tài)為止，然后減小積分增益使系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。這會產(chǎn)生一個振蕩響應，利用增大增益來抑制振蕩，最后會得到一組較優(yōu)的參數(shù)。

對于電流環(huán)參數(shù)，由于對電動機內(nèi)部算法的不明晰，一般不會去優(yōu)化。但在驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)一個問題，電動機一使能后就嘯叫。為此，首先對控制器的位置與速度環(huán)進行參數(shù)調(diào)試，無論如何優(yōu)化，電動機嘯叫沒有改善;其次，認為是電動機的安裝氣隙沒有達到要求造成的，但在進行拆卸后檢查電動機的安裝精度發(fā)現(xiàn)是滿足安裝要求的;既而分析是否是光柵尺精度不好導致的，但系統(tǒng)只對電流環(huán)設置時發(fā)現(xiàn)仍然有嘯叫，故應該不是光柵尺導致的;再分析是否是電動機的推力太小，而負載的慣量很大，約450 kg，將負載減小和負載加大，但故障仍然有;最后是通過優(yōu)化電流環(huán)的Kp與Ki參數(shù)，才消除嘯叫。

3.4 外界干擾力的影響

前面分析了電動機自身對驅(qū)動性能的影響，下面分析外界變化的干擾力對驅(qū)動系統(tǒng)的影響。

(1)切削力影響 液體靜壓支承平臺由于剛度大，是可以應用于精密加工的，它在加工過程中受到的切削力有兩種，一種為斷續(xù)切削，一種為連續(xù)切削。對于連續(xù)切削，切削力波動較小，對性能的影響要小一些。對于斷續(xù)切削，會產(chǎn)生一個交變的切削力，會對速度的穩(wěn)定性能有一定的影響，但通過增加速度環(huán)的剛性是可以減小影響的。

(2)導軌油膜的粘性剪切阻力 導軌油膜的粘性剪切阻力是一個非常不好檢測的力，粘性剪切阻力與導軌間隙、液壓油壓力相關，在相同條件下，通過調(diào)節(jié)液壓油的壓力，發(fā)現(xiàn)壓力改變對驅(qū)動性能的影響并不十分明顯。這可能與液壓靜壓導軌存在一定的阻尼有關系。

(3)平臺風琴罩及線纜摩擦力的影響 對于液體靜壓平臺需要對導軌進行防護，防止切屑及粉塵進入液壓油，一般采用風琴罩進行防護，而平臺運動時風琴罩殼多少會產(chǎn)生一些刮擦，這樣會對平臺產(chǎn)生不恒定的外力，另外直線電動機動子線纜的摩擦力也是一個變力，這些力在運動過程中形成了電動機的干擾力，并且不經(jīng)任何緩沖直接作用與電動機。尤其對速度平滑性要求很高的低速運動時其影響更大。要減小它們的影響主要有兩個方面:一方面是減小外界干擾力，另一方面是增加伺服系統(tǒng)的魯棒性。風琴罩可以采用柔性風琴罩和接觸部分涂抹潤滑油來減小刮擦力;線纜摩擦力可以通過加大線纜彎曲半徑、同時在線纜上涂抹潤滑脂等方法來減小。

4 結(jié)語

(1)對于高精度的直線電動機控制最好采用1Vpp 模擬信號輸出的光柵尺，同時需要綜合設計光柵尺的分辨率。驅(qū)動器對光柵尺輸出信號進行濾波噪聲處理以及信號強度處理有利于驅(qū)動性能的提高。

(2)當需要電動機進行低速精確定位或高速精密勻速運行時，最好采用線性放大模式的功率變換器。

(3)對驅(qū)動器的位置、速度、電流環(huán)PID 參數(shù)同時進行優(yōu)化，有利于改善驅(qū)動性能。

(4)為提高液靜壓支承平臺的直驅(qū)性能，減小外界干擾力尤其是平臺風琴罩及線纜摩擦力是非常有益的。

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