全閉環伺服驅動系統位置控制通信延時補償技術

倪啟南 楊 明 李云嵩 徐殿國

全閉環伺服驅動系統位置控制通信延時補償技術

倪啟南1楊 明1李云嵩2徐殿國1

（1. 哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001 2. 北京機械設備研究所 北京 100854）

現代數控系統通常采用數控裝置負責計算、伺服驅動器負責執行的結構理念，二者間的總線數據交互不可避免地存在通信延時，尤其在高速進給的應用場合中，為了避免由通信延時引起的超調及控制精度降低的問題，該文對全閉環數控系統時延問題展開研究。首先，基于雙位置反饋控制架構，建立含通信延時的全閉環伺服驅動系統模型，采用頻率根軌跡分析方法，分析通信延時對系統穩定性的影響，指出延時補償的必要性。為了更好地對通信延時進行補償，研究并設計Smith預估補償器，分析Smith預估補償器在應用中存在的模型失配問題，在此基礎上，總結模型誤差來源。最后，結合擾動觀測器理論，設計基于擾動觀測器的通信擾動觀測補償策略，解決模型失配問題在通信延時補償中的影響，提高延時補償方法的適用性和簡易性。通過仿真驗證所提算法的有效性。

伺服驅動系統 全閉環控制 通信延時補償

0 引言

裝備制造業是我國經濟和國防建設的戰略產業，代表著國家經濟實力和科技水平。作為先進機械制造的典型代表，數控機床的制造水平是衡量一個國家工業現代化程度的重要標志。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》中明確指出，要實現高檔數控機床的自主設計制造，將數字化和智能化設計作為裝備制造業優先發展主題[1]。隨著現代科技不斷發展，制造業向精度更高、品種更多、周期更快的方向發展成為了必然選擇，如何實現高速、高精控制，是未來的機遇與挑戰。

目前，數控系統通常采用數控（Numerical Con- troller, NC）系統負責計算、伺服驅動器負責執行的結構理念，通常將位置環控制放在數控裝置中執行，而伺服驅動器主要執行速度環和電流環控制。NC通過總線通信與各伺服軸進行數據交互，各軸伺服驅動器通過總線通信將位置反饋信號傳送給NC，NC通過總線通信將轉速指令信號發送給各軸伺服驅動器，由此完成位置、轉速和電流的三閉環控制。由此可見，總線通信的存在不可避免地會在位置環控制環路中引入時間延時環節。通信延時的存在使得位置環增益裕度大大降低，也從根本上限制了數控機床“高速高精”的可能性。

降低延時環節對控制系統性能影響的方法可以分為硬件方法和軟件方法。硬件方法是指通過優化系統硬件設計來降低延時環節，如采用較高傳輸頻率的總線通信、采樣延時較小的傳感器、性能較好的主控芯片等。在數控機床領域，文獻[2]提出了一種驅動一體技術來降低數控系統和伺服驅動器之間的通信延時，該技術有效地利用了多合一芯片的優勢，利用片上數據共享取代了常規的總線通信，能夠最大程度地降低通信延時對控制性能的影響。軟件方法是指在系統硬件條件不變的情況下，采用算法降低通信延時對控制系統性能影響的方法[3-4]。根據算法設計方法的不同，可以將軟件方法分為模型法和無模型法。

在模型法中，最為常用的方法為Smith預估補償器法，該方法在已知系統模型的基礎上對含延時系統響應進行預估，將預估后得到的延時導致的系統誤差項補償到控制器輸出中，以此實現延時環節的補償。從該方法的原理可以看出，Smith補償法對延時項的補償效果很大程度地受模型準確性的影響，當預估模型與實際系統匹配時，延時環節能夠得到很好的補償。但當系統模型存在誤差時，補償效果會明顯惡化[5-6]。

為了解決Smith預估補償器法存在系統參數魯棒性較差的問題，很多學者提出了優化方案。文獻[7]提出了改進方法，解決了Smith預估補償器法抗擾性差的問題，但沒有解決參數魯棒性差的問題。文獻[8]提出了在Smith預估補償器的主反饋回路中串聯一階低通器環節的方法，用來解決參數擾動時補償穩定性問題。文獻[9]通過增加在線估算延時時間環節解決了延時時間不確定對Smith預估補償器的影響。文獻[10]通過引入擾動補償方法提高了Smith預估補償器抗擾性問題，能夠實現系統輸入響應和擾動響應的解耦，但該方法同時存在參數設置復雜的問題。在Smith預估補償器法的基礎上，文獻[11-13]針對雙搖擺系統提出了一種基于擾動觀測器的延時補償方法，該方法將延時環節導致的系統響應誤差等效于系統擾動環節，通過設計擾動觀測器實現延時環節的補償。

無模型法主要有線性預測法、模糊控制、神經網絡控制和專家控制等[14-21]。盡管這些方法能夠實現算法魯棒性和補償性能的兼顧，但缺點也十分明顯，例如，模糊控制不適用于高精度控制場合；神經網絡控制需要較長的時間去訓練；專家控制過度依賴于經驗知識，缺乏自學習、自適應能力，因此很難應用到工業伺服系統中，僅在理論層面獲得一定研究成果。

綜上所述，高檔數控機床高速高精的加工需求對位置增益裕度提出了極高的要求，然而主流的數控系統通常采用數控裝置串聯伺服驅動器的架構，二者間的總線數據交互不可避免地存在通信延時，極大地降低了位置環控制穩定性。

因此，為了避免由通信延時引起的超調及控制精度降低的問題，首先，本文基于雙位置反饋控制架構，建立含通信延時的全閉環伺服驅動系統模型，分析通信延時對系統穩定性的影響，指出延時補償的必要性。其次，為了更好地對通信延時進行補償，研究并設計Smith預估補償器，分析Smith預估補償器在應用中存在的模型失配問題，在此基礎上，分析模型誤差來源。通過設計基于擾動觀測器的通信擾動觀測補償策略，解決模型失配問題在通信延時補償中的影響。最后，通過實驗驗證所研究方法的有效性。

1 含通信延時的全閉環系統建模及系統穩定性分析

1.1 含通信延時的全閉環系統建模

為了更好地分析位置環控制通信延時對全閉環位置控制的影響，首先需要建立含通信延時的全閉環伺服驅動系統模型。結合現代數控機床數控系統結構，即數控裝置、伺服驅動單元和機械傳動系統三部分，可以得到含位置環通信延時的全閉環伺服軸位置控制結構框圖，如圖1所示。由圖1可以看出，位置環控制在數控裝置中執行，而伺服驅動器主要執行速度環和電流環控制，數控裝置通過總線通信與各伺服軸進行數據交互，各軸伺服驅動器通過總線通信將位置反饋信號傳送給數控裝置，數控裝置通過總線通信將轉速指令信號發送給各軸伺服驅動器，由此完成位置、轉速和電流的三閉環控制。

圖1 進給系統控制結構框圖

結合數控機床位置控制系統中通信延時產生的方式，可以得到含通信延時環節的數控機床全閉環位置控制系統框圖如圖2所示。

圖2 含通信延時的雙位置反饋控制系統框圖

1.2 系統穩定性分析

為了方便分析，將圖2系統模型進行簡化，得到如圖3所示的模型。

圖3 含通信延時的全閉環伺服驅動系統簡化模型

圖3中，1、2分別為前向通道和反向通道中的延時時間，c()為位置環控制傳遞函數，p()為包含速度環和機械負載模型的傳遞函數，分別表示[5]為

式中，m、l分別為電機慣量和負載慣量；s為滾珠絲桿軸剛度系數；m為電機力矩常數；p為位置環控制器增益系數；vp、vi分別為速度環PI控制器的比例環節和積分環節增益系數。

由式（1）、式（2）可得系統特征方程()為

式中，為延時項延時時間；、為Pade逼近系數。

為了對比Pade近似的有效性，選取一階慣性環節近似進行對比，一階慣性環節近似表達式為

圖4為當延時時間為1ms時，不同階次Pade近似和一階慣性環節近似在時域和頻率的對比波形。從仿真波形可以看出，Pade近似效果要明顯好于一階慣性環節。同時，隨著Pade近似多項式階次的增高，有理化近似的效果也越好，但高階次會引起計算量增大的問題，這就限制了高階次近似在實際工程中應用?？紤]到伺服驅動系統位置環控制帶寬相對較低的特性，因此在接下來的分析中選用一階Pade近似來等效延時環節。

接下來對含延時全閉環位置控制系統進行穩定性分析。結合圖2，可以得到含延時全閉環位置控制系統的開環傳遞函數為

為了使理論分析與實驗相吻合，理論分析采用表1中數控機床鏜床的系統參數。將表1中參數代入式（6），并在延時時間分別為1ms、2ms和3ms條件下繪制系統根軌跡圖如圖5所示。圖5中，為相應根軌跡所對應的位置環控制器增益。

表1 系統參數

Tab.1 System parameters

圖5 不同延時時間的系統根軌跡圖

由圖5所示的不同延時時間時系統根軌跡圖可以看出，延時時間的存在會對系統穩定性產生影響。具體地，延時時間越大，系統的穩定域越小，即穩定的位置環增益系數越小。由此可見，延時環節的存在會導致最大位置環增益的降低，限制位置環的帶寬。

2 通信延時補償技術

2.1 基于Smith預估補償器的通信延時補償方法

圖6 Smith預估補償器原理

由圖6可知，原系統的閉環傳遞函數為

加入Smith預估補償器后，系統的閉環傳遞函數為

通過式（7）和式（9）可以看出，當預估模型及延時時間均與實際系統參數相吻合時，Smith預估補償方法能夠得到很好的延時補償效果，補償后的系統特征方程并不含有延時項。

由Smith預估補償器的原理可以搭建基于Smith預估補償器的全閉環位置控制通信延時補償方法原理如圖7所示。

圖7 基于Smith預估補償器的全閉環位置控制通信延時補償方法原理

在實際建模過程中，速度環比例增益及積分增益系數是已知的，電機轉動慣量和電磁轉矩系數可以通過電機參數獲取，模型失配主要來源于三個位置，首先是負載轉動慣量難以獲得，尤其類似銑床進給機構這種大慣量、多慣量系統，即使通過慣量辨識算法進行辨識，仍然會存在較大的誤差；其次是傳動軸的軸剛度系數難以獲取，且系數值會隨著溫度和使用時間產生變化，難以準確建模；最后是總線傳輸數據量可能不同，具體通信延時的時間難以準確獲取。

為了驗證模型失配對Smith預估補償器的影響，參照圖7及表1搭建仿真模型并進行仿真，仿真中位置環比例增益為p=1 500rad/s，延時時間為2ms，位置給定為直線進給定位響應，模型失配比例為50%，仿真結果如圖8所示。由圖8的仿真結果可以看出，在模型適配時，Smith預估補償器能夠對延時環節實現很好的補償，補償后位置響應超調量及調節時間明顯降低。但當負載慣量、軸剛度系數和延時時間出現參數失配時，在一定情況下，補償不僅沒有提高系統的響應性能，還會引起末端位置振蕩問題，惡化位置環控制效果。

綜上所述，傳統Smith預估補償器在系統模型及延時時間模型可以準確獲取的場合中能夠實現很好的延時補償效果。但在數控機床領域中，由于負載慣量和軸剛度系數受環境因素變化影響較大，參數本身無法準確獲取，因而無法獲得較好的通信延時補償效果。

圖8 Smith預估補償器延時補償效果分析

2.2 基于通信擾動觀測器的通信延時補償方法

針對Smith預估補償器存在的參數魯棒性差的問題，本文采用通信擾動觀測器（Communication Disturbance Observer, CDOB）對數控系統通信延時進行補償。相比于Smith預估補償器，CDOB將延時環節等效為系統擾動量，該方法對系統模型參數魯棒性較高，同時參數設計較為明確。

圖9a和圖9b分別為包含輸入延遲1和輸出延遲2的時滯系統和含輸入擾動的控制系統。

圖9 時滯系統與含擾動系統框圖

由圖9可以看出，可以將具有延時環節的系統等效為網絡擾動系統進行分析。CDOB可以在觀測網絡擾動的基礎上對系統進行補償，其中網絡擾動估算原理和基于CDOB的延時補償原理分別如圖10、圖11所示。

通過對擾動觀測器極點位置的適當選取實現較好的觀測效果進行補償，其極點位置選取應參照擾動項的動態特性進行選取[20]。結合圖9和圖10，得到擾動項的表達式為

圖10 網絡擾動估算原理

圖11 CDOB延時補償原理

沿用含延時系統穩定性分析中所用的一階Pade逼近法，將延時項進行有理近似，可得

將式（11）中的極點稱為nd，設CDOB低通濾波器形式如式（12）所示，極點位置稱為cdob。

為了實現較好的跟隨性，CDOB估計誤差的收斂速度應快于擾動項的動態特性，故由控制原理可得，極點位置的選取條件如式（13）所示，CDOB極點實部應小于擾動項的極點實部位置。

將式（11）與式（13）結合，得到極點位置的選取準則為

CDOB極點配置示意圖如圖12所示。圖12較為具體地描述了坐標系中極點配置法則。

由以上分析可得，采用CDOB延時補償方法的雙位置反饋的全閉環銑床原理如圖13所示。

圖12 CDOB極點配置示意圖

圖13 基于雙位置反饋控制的CDOB補償原理

在實際應用中，所設計的擾動觀測器的極點位置需要根據實際系統的響應需求來進行選擇，在觀測器穩定的前提下，不同極點位置會使實際系統產生不同的響應特性。

為驗證CDOB極點參數配置的有效性，在圖13的基礎上進行仿真驗證，仿真中延時時間總計為4ms。經計算可知，在此系統中，CDOB的net值應大于500，因此取net分別取為600、300和100進行仿真，仿真結果如圖14所示。由仿真結果可以看出，當極點位置靠近虛軸時，補償效果明顯變差，甚至會出現發散現象，影響系統穩定性。因此，在實際應用中，為滿足CDOB的瞬態響應快于擾動項的動態特性，擾動觀測器的極點位置要取得比延時等效的擾動環節的極點遠，如此才能有比較好的補償效果。

3 實驗驗證

實驗在廣州數控三軸加工中心機床上進行，實驗平臺如圖15所示，該機床采用GSK 25Mb-H系列數控系統，伺服驅動器為廣州數控自研驅動器，末端位置傳感器為高精度光柵尺。實驗條件為軸位置定位，位置環比例增益為2 000rad/s，進給速度為10 000mm/min，數控系統與伺服驅動器間的通信周期設為2ms。

圖14 不同極點配置下的延時補償效果

圖15 三軸加工中心數控機床

圖16為未進行通信延時補償時，全閉環位置控制模式（雙位置反饋控制）下，位置定位實驗波形。由圖16可以看出，通信延時項的存在會導致軸端速度與末端速度出現自持振蕩問題，軸端轉速振蕩的峰-峰值約為400mm/min，末端位置振蕩的峰峰值約為610mm/min。直線末端位置也存在振蕩，振蕩幅值約為75mm。

圖17、圖18為采用Smith預估補償器進行通信延時補償后的位置定位實驗波形，其中圖17為Smith 預估器模型精確時的補償結果，圖18為Smith預估補償器中軸剛度系數及負載慣量均存在50%失配時的補償結果。

圖16 未進行通信延時補償時位置定位實驗結果

圖17 模型精準時Smith預估補償器延時補償實驗結果

圖18 存在模型失配時Smith預估補償器延時補償實驗結果

從圖17和圖18的實驗結果可以看出，采用Smith預估補償器能夠實現通信延時的補償，達到提高位置控制系統的穩定性的目的，但當模型存在失配時，補償效果會變差。圖17中，軸端速度無振蕩超調，末端速度有微小超調振蕩并逐漸收斂，末端轉速振蕩的峰-峰值為56mm/min，直線末端定位誤差幅值約為0.15mm。圖18中，軸端速度與末端速度仍然會存在自持振蕩問題，軸端轉速振蕩的峰-峰 值約為140mm/min，末端位置振蕩的峰峰值約為420mm/min，同時，直線末端位置也存在振蕩，振蕩幅值約為2mm。

圖19、圖20為采用通信擾動觀測器進行通信延時補償后的位置定位實驗波形，其中圖19為CDOB模型精確時的補償結果，圖20為CDOB中軸剛度系數及負載慣量均存在50%失配時的補償結果。

圖19 模型精準時CDOB延時補償實驗結果

由圖19和圖20可以看出，在模型精確時，補償后軸端速度無振蕩超調，末端速度有微小超調振蕩并逐漸收斂，末端轉速振蕩的峰-峰值為40mm/min，直線定位誤差約為0.15mm。即使在模型存在失配時，CDOB也能獲得很好的補償效果，此時，軸端速度無振蕩超調，末端速度有微小超調振蕩并逐漸收斂，末端轉速振蕩的峰-峰值為50mm/min，直線定位誤差約為0.2mm。

圖20 存在模型失配時CDOB延時補償實驗

通過以上實驗可以看出，在系統模型不存在失配問題時，Smith預估補償器及通信擾動觀測器均可以實現很好的通信延時補償，補償后，位置控制系統裕度明顯提高。但當系統模型存在較為嚴重的失配問題時，Smith預估補償器會存在補償效果不佳的問題，相比之下，通信擾動觀測器具有更好的參數魯棒性。

4 結論

本文對數控機床全閉環進給系統進行了研究，在采用雙位置反饋控制的基礎上，對實際數控系統中存在的通信延時進行分析和補償。當延時項存在于系統的閉環環路中時，系統的特征方程中會存在延時項，而延時項的存在使得特征方程成為超越方程無法解析。對比了常見的有理近似方法，選取Pade變換進行近似，代入系統中繪制根軌跡，發現延時的存在降低了穩定根軌跡增益，影響了系統穩定性。采用Smith預估補償器進行延時補償。實際系統中的軸剛度系數、負載慣量及通信延時時間均難以準確獲取，存在模型失配問題，而Smith預估補償器對模型準確度較為敏感，模型失配時補償效果惡化。結合系統擾動原理，將延時環節等效為系統擾動，設計了基于擾動觀測器的通信延時補償方法，解決了模型失配問題在通信延時補償中的影響，從而提高算法的自適應性。

本文對數控機床全閉環進給系統進行了研究，在采用雙位置反饋控制的基礎上，針對典型數控系統架構中總線通信延時引起的位置控制超調及控制精度降低的問題，提出了基于擾動觀測器的通信擾動觀測補償方法，消除了通信延時對位置環控制性能的影響。建立了含通信延時的全閉環伺服驅動系統模型，結合延時項有理近似方法，得出了系統的特征方程，利用根軌跡分析方法，分析了延時項對全閉環位置控制系統穩定性的影響。從常用的基于Smith預估補償器的延時補償方法出發，分析了實際系統中普遍存在的模型失配問題的影響?；诖耍Y合系統擾動原理，將延時環節等效為系統擾動，建立了基于擾動觀測器的通信擾動觀測器補償方法，解決了模型失配問題在通信延時補償中的影響，提高了延時補償方法的適用性。

[1] 蘇光靖, 李紅梅, 李爭, 等. 永磁同步直線電機無模型電流控制[J]. 電工技術學報, 2021, 36(15): 3182-3190.

Su Guangjing, Li Hongmei, Li Zheng, et al. Research on model-free current control of permanent magnet synchronous linear motor[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2021, 36(15): 3182-3190.

[2] 楊明, 曹佳, 徐殿國. 基于輸入整形技術的交流伺服系統抖動抑制[J]. 電工技術學報, 2018, 33(21): 4979-4986.

Yang Ming, Cao Jia, Xu Dianguo. Suppression of vibration of AC servo system based on input shaping technique[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2018, 33(21): 4979-4986.

[3] García P, Albertos P, H?gglund T. Control of unstable non-minimum-phase delayed systems[J]. Journal of Process Control, 2006, 16(10): 1099-1111.

[4] Najafi M, Hosseinnia S, Sheikholeslam F, et al. Closed-loop control of dead time systems via sequential sub-predictors[J]. International Journal of Control, 2013, 86(4): 599-609.

[5] 李洪乾, 韓松, 周忠強. 基于樣本協方差矩陣特征特性的電網多重擾動定位方法[J]. 電工技術學報, 2021, 36(3): 646-655.

Li Hongqian, Han Song, Zhou Zhongqiang. Eigen characteristic of sample covariance matrix based multi- disturbance positioning method of power system[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 646-655.

[6] 李爭, 肖宇, 孫鶴旭, 等. 基于速度前瞻的雙軸直線電機交叉耦合控制策略[J]. 電工技術學報, 2021, 36(5): 973-983.

Li Zheng, Xiao Yu, Sun Hexu, et al. Speed prospective based cross-coupling control strategy for dual-axis linear motor[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 973-983.

[7] Watanabe K, Ito M. A process-model control for linear systems with delay[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1981, 26(6): 1261-1269.

[8] 李雪, 于洋, 姜濤, 等. 基于稀疏增強動態解耦的電力系統振蕩模式與模態辨識方法[J]. 電工技術學報, 2021, 36(13): 2832-2843.

Li Xue, Yu Yang, Jiang Tao, et al. Sparsity promoting dynamic mode decomposition based dominant modes and mode shapes estimation in bulk power grid[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2021, 36(13): 2832-2843.

[9] Lai Chien-Liang, Pau-Lo Hsu. Design the remote control system with the time-delay estimator and the adaptive smith predictor[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2009, 6(1): 73-80.

[10] Birs I, Muresan C, Nascu I, et al. A survey of recent advances in fractional order control for time delay systems[J]. IEEE Access, 2019, 7: 30951-30965.

[11] Natori K, Oboe R, Ohnishi K. Stability analysis and practical design procedure of time delayed control systems with communication disturbance observer[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2008, 4(3): 185-197.

[12] Natori K, Tsuji T, Ohnishi K, et al. Time-delay compensation by communication disturbance observer for bilateral teleoperation under time-varying delay[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 57(3): 1050-1062.

[13] Bibian S, Jin H. Time delay compensation of digital control for DC switchmode power supplies using prediction techniques[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 15(5): 835-842.

[14] Yao Wenli, Yang Yongheng, Zhang Xiaobin, et al. Design and analysis of robust active damping for LCL filters using digital notch filters[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2016, 32(3): 2360- 2375.

[15] Lu Minghui, Wang Xiongfei, Loh P C, et al. Graphical evaluation of time-delay compensation techniques for digitally controlled converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 33(3): 2601-2614.

[16] Wang Jianguo, Yan Jiudun, Jiang Lin, et al. Delay- dependent stability of single-loop controlled grid- connected inverters with LCL filters[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2015, 31(1): 743-757.

[17] Khanesar M A, Kaynak O, Yin Shen, et al. Adaptive indirect fuzzy sliding mode controller for networked control systems subject to time-varying network- induced time delay[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 2014, 23(1): 205-214.

[18] Khanesar M A, Kaynak O, Teshnehlab M. Direct model reference Takagi-Sugeno fuzzy control of SISO nonlinear systems[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 2011, 19(5): 914-924.

[19] 王麗馨, 楊德友, 蔡國偉, 等. 自然激勵下發電機有功參與因子提取及其在阻尼調制中的應用[J]. 電工技術學報, 2022, 37(5): 1194-1203.

Wang Lixin, Yang Deyou, Cai Guowei, et al. Extraction of participation factor with respect to generation active power under natural excitation and its application in damping modulation[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2022, 37(5): 1194- 1203.

[20] Wu Bingfei, Lin Chun-Hsien. Adaptive neural predi- ctive control for permanent magnet synchronous motor systems with long delay time[J]. IEEE Access, 2019, 7: 108061-108069.

[21] Li Zhijun, Su Chunyi. Neural-adaptive control of single-master-multiple-slaves teleoperation for coor- dinated multiple mobile manipulators with time- varying communication delays and input uncer- tainties[J]. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, 2018, 24(9): 1400-1413.

Communication Delay Compensation Technology of Full-Closed Loop Position Control for Servo Drive System

1121

（1. School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 2. Beijing Machine and Equipment Institute Beijing 100854 China）

The modernized numerical system usually adopts the concept that the computerized numerical control is responsible for computation and the servo driver is responsible for the execution. There is an inevitable communication delay between the two, especially in the high-speed feeding occasions. In order to avoid the overshot and control accuracy deterioration caused by communication delay, the delay issues in full-closed loop control are studied in detail. First, based on the dual-position feedback control structure, the servo driver system model integrating the communication delay is established, and the influence of communication delay on system stability is analyzed by the frequency root locus analysis method. For a better communication delay compensation, the Smith predictor is researched and designed accordingly, and its model mismatch problem is analyzed. Accordingly, the model error sources are summarized. Finally, the communication disturbance observation compensation strategy is designed combined with the disturbance observer theory, which solves the model mismatch problem in communication delay and improves the feasibility and simplicity of the delay compensation. The effectiveness of the proposed algorithm is verified by simulation.

Servo drive system, full-closed loop control, communication delay compensation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201336

TM341

倪啟南 男，1991年生，博士，研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail: niqn_hit@163.com

楊 明 男，1978年生，教授，博士生導師，研究方向為電力電子技術及應用、交流永磁伺服系統和智能控制應用。E-mail: yangming@hit.edu.cn（通信作者）

2020-10-09

2021-01-12

國家自然科學基金重大項目《高品質伺服電機系統關鍵科學問題》子課題《高品質伺服電機系統層級化理論與綜合設計方法》（51991385）和國家科技重大專項（2012ZX04001051）資助。

（編輯 崔文靜）