某型號轉臺速度過零點梯形脈沖補償優化

賈錫龍

摘 要：針對某型號立式雙軸轉臺俯仰軸速度過零點時，出現位置跟蹤精度惡化的情況，設計了矩形、梯形兩種脈沖補償方式進行補償優化，其中梯形優化方式獲得了較好的效果，可將位置跟蹤精度由0.008°提升至0.004°，增強了系統的跟蹤性能。該補償方案具有易于實現、不影響原有控制策略的特性。

關鍵詞：速度過零；摩擦力躍變；脈沖補償

中圖分類號： TN820.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-135-2

1 問題概述

某型號立式雙軸轉臺采用PID加前饋的復合方式進行伺服控制，由內而外依次為電流環、速度環和位置環。

在進行位置跟蹤精度模擬測試時，發現俯仰軸跟蹤精度在速度過零點存在誤差凹陷，極值為-0.008°，影響跟蹤精度提升，且通過PID參數重新整定和前饋系數調整無法緩解或消除該凹陷。誤差凹陷圖詳見圖1 （縱軸數值為誤差值，單位：度；橫軸數值為時間軸）。

2 原因分析

為便于分析，將位置數據差分獲取速度信息并與跟蹤精度數據一起生成圖2（其中系列1的縱軸數值為誤差值，單位：度；系列2的縱軸數值為速度值除以500，單位：度/秒）。觀察圖2，可發現在誤差凹陷產生期間，速度恰處于過零階段。經分析，認為造成誤差凹陷的主要原因有：

① 速度過零前期，轉動速度逐漸變緩，摩擦力逐漸增強，直至躍變為靜摩擦力；

② 速度過零瞬間，轉動速度由正變負，俯仰軸轉動方向換向，相應的靜摩擦力突然換向，產生摩擦力躍變，造成系統非線性；

③ 速度過零后的一段時間內，摩擦力由靜摩擦力逐步轉換為動摩擦力，但由于速度較慢，摩擦力依舊較大，阻礙轉速有效提升，導致誤差較大；

④直流電機換向運轉，電樞電流換向延時（可等效為摩擦力影響進行補償）。

3 解決方案選取

為了解決以上問題，一般有以下幾種方法：

力矩反饋法：即通過安裝高精度力矩傳感器，構成力矩反饋環節，從而抑制摩擦力擾動，但該方法需加裝傳感器，不宜用于已設計好的轉臺。

高頻顫震法：即通過施加小幅度、高頻率信號的方式，抑制零速附近摩擦力非線性突變，但該方法會引入控制噪聲，故不推薦該方法。

基于LuGre等動態摩擦模型補償法：即通過構建LuGre等動態摩擦模型的方式，完成對系統的實時補償，但該方法存在辨識參數眾多、辨識復雜的特點。

脈沖信號補償法：即采用較大幅度、短周期的脈沖信號，對系統過零點進行補償，以消除摩擦力躍變引起系統的非線性[1]。

基于以上方法的特點和原控制結構長期工作中的穩定性考慮，選用脈沖信號控制法對過零點運動進行脈沖補償。考慮到實際使用中，每次過零點特性不同，將脈沖補償幅度與誤差量相關聯，以增強對不同過零情況的普適性。

4 矩形脈沖補償

矩形脈沖補償的控制策略為：構建速度過零位置反向運動（以下簡稱補償點）的監測機構，監測到補償點時，開始進行幅度為K的矩形脈沖補償，補償周期T后撤銷補償。經試驗，T設為55個伺服周期時，通過調節K值，可將跟蹤精度提升至0.006°，詳見圖3。

但該補償方式存在局限性：當K值取小時無法有效消除凹陷誤差極值（圖3中A點）；K值取大時A點誤差消除，但導致正向誤差超限（圖3中B點）；增大K值，縮減周期T，又造成撤銷補償后振蕩誤差增大（圖3中C點）。

5 梯形脈沖補償

根據矩形脈沖補償的局限性和俯仰軸速度過零點運動特性，設計梯形脈沖補償，設計思路為：

①當監測到補償點時，進行高K值的矩形脈沖補償，以抑制A點誤差值；

②縮短矩形脈沖周期值（設為T1），抑制過補償造成的B點誤差；

③矩形脈沖補償完畢后，速度處于逐漸回升階段（仍舊較低），摩擦力逐漸減弱，此時進行周期為T2的降斜率的三角形脈沖補償（峰值為K），逐步削弱補償量，可與摩擦力變化更好的匹配，同時可避免撤銷補償瞬間引起的誤差振蕩現象，削減C點誤差值。

經試驗，梯形脈沖補償時T1設為20個伺服周期，T2設為60個伺服周期，K值整定為25時，跟蹤精度達到最優，為0.004°，詳見圖4。同時對比圖3和圖4，可見采用梯形脈沖補償后，A點、B點及C點的誤差均被有效抑制。

6 總結

本文脈沖補償優化構建于位置環回路，以矩形脈沖補償為例，等效于位置環比例項P值條件性增加數值K；

當條件在周期T內連續觸發時，等效于比例項P值恒定增加數值K。故補償后不影響系統原有控制策略且易于實現。

本文采用矩形、梯形兩種脈沖補償方式分別對速度過零點進行了優化，并分析了兩種脈沖補償方式的結果。其中梯形脈沖補償具有更高的靈活性和可調節性，能有效抑制速度過零點時系統非線性并可平緩退出補償。采用梯形補償后，跟蹤精度由0.008°提升至0.004°。

參 考 文 獻

[1] 王蘊恒，王吉元，卜樹坡.飛輪轉速過零時衛星姿態的補償控制研究[J].計算機仿真，2009，8：019.