一種基于伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四電機(jī)消隙的控制方法

唐智鵬

摘 要： 針對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)超大負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)高精度、快速響應(yīng)的消隙伺服控制領(lǐng)域，雙電機(jī)消隙伺服系統(tǒng)存在單伺服系統(tǒng)體積大、功率大、成本高、消隙單一的缺點(diǎn)，為此，設(shè)計(jì)了基于四伺服同步控制四電機(jī)消隙系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)了多伺服同步控制的四電機(jī)消隙，有效地降低單臺(tái)消隙伺服系統(tǒng)的功率、體積、成本，并且安裝也相對(duì)靈活；又能較好地實(shí)現(xiàn)百?lài)嵓?jí)超大負(fù)載高精度快響應(yīng)控制。

關(guān)鍵詞： 高精度 伺服系統(tǒng) 消隙 四電機(jī)消隙 超大負(fù)載

中圖分類(lèi)號(hào)： TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2024）06-0025-04

Realization of Four-Motor Anti-Backlash Based on Four-Servo Synchronous Control

TANG Zhipeng

Guilin Stars Science and Technology Co.， Ltd.， Guilin， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 541004 China

Abstract： In the field of anti-backlash servo control with high precision and fast response of the super-large load turntable driven by the gear transmission system， the double-motor anti-backlash servo system has the shortcomings of the large volume， high power， high cost and single anti-backlash of the single servo system， so a four-motor anti-backlash system based on four-servo synchronous control is designed. It realizes the four-motor anti-backlash based on multi-servo synchronous control， and effectively reduces the power， volume and cost of a single antibacklash servo system， which is also relatively flexible to install， and it can also better achieve the high-precision and fast-response control of hundred-ton super-large load.

Key Words： High precision； Servo system； Anti-backlash；Four-motor anti-backlash；Oversized load

隨著航空航天、汽車(chē)、高速鐵路等行業(yè)的高速發(fā)展，轉(zhuǎn)臺(tái)控制的精度越來(lái)越高，所以對(duì)高精度、高響應(yīng)、高速度的轉(zhuǎn)臺(tái)控制技術(shù)需要更加迫切，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式主要為高速伺服電機(jī)+齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪輪齒相互嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)是應(yīng)用十分廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)。

這種間接傳動(dòng)方式在完成各種運(yùn)動(dòng)時(shí)存在諸多問(wèn)題，產(chǎn)生的摩擦，變形、反向間隙等會(huì)引起系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、動(dòng)態(tài)剛度差，及其他非線性誤差，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代日益增長(zhǎng)的高精度要求。為了解決這些問(wèn)題，齒輪消隙技術(shù)孕育而生，特別是伺服消隙技術(shù)的發(fā)展，很好地解決了齒輪間隙問(wèn)題。伴隨著多單元伺服同步控制技術(shù)的日益成熟，四消隙驅(qū)動(dòng)超大負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行高精度、高響應(yīng)、高速度成為現(xiàn)實(shí)。

四消隙伺服控制可以使用主從雙電機(jī)消隙伺服系統(tǒng)及主從消隙控制實(shí)現(xiàn)四消隙算法控制。主消隙控制板使用主從通信控制從消隙控制板，主從消隙控制板分別通過(guò)SPI通信控制兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)伺服電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)超大負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)四消隙控制見(jiàn)圖1。

1 消隙的工作原理

1.1 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)消隙原理

四消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的間隙主要出現(xiàn)在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪等機(jī)械部件中。要消除齒輪之間的間隙，就需要電機(jī)端的小齒輪作用在負(fù)載端的大齒輪力，出現(xiàn)兩種力大小一致且方向相反的靠齒力；如圖2主機(jī)消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪消隙如圖2所示[1-2]，主機(jī)消隙兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)在空間上為對(duì)稱(chēng)布置。

主機(jī)消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主消隙控制板實(shí)現(xiàn)主電機(jī)消隙算法，使小齒輪1對(duì)大齒輪產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的靠前齒力，使小齒輪2對(duì)大齒輪產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針的靠后齒力，進(jìn)而消隙了小齒輪1、小齒輪2與大齒輪之間的間隙，從機(jī)消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪消隙也亦然。

1.2 伺服消隙過(guò)程

當(dāng)主機(jī)消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于閉環(huán)消隙工作狀態(tài)時(shí)，主機(jī)兩主電機(jī)是按圖3所示的電流控制曲線，通過(guò)各自的減速器去驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)齒輪（該齒輪與轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)為無(wú)隙連結(jié)結(jié)構(gòu)），從圖中可看到，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)主機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩同時(shí)為零的情況，也就是說(shuō)，任何時(shí)候兩個(gè)電機(jī)至少有一個(gè)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)齒輪施加不為零的轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)間隙就不可能存在。當(dāng)然，此轉(zhuǎn)矩必須大于傳動(dòng)鏈本身的摩擦力矩[2，3，4]。

主機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的電流環(huán)輸入電壓與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之間呈線性關(guān)系，主機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度閉環(huán)的輸出經(jīng)消隙算法處理后，將消隙控制曲線值分別傳輸給兩主伺服，如圖4所示的電流消隙曲線，就可以達(dá)到消除齒隙的目的。

在消隙工作模式下，若主機(jī)消隙系統(tǒng)需要的輸出合力矩為零時(shí)，兩主電機(jī)的電樞電流為±Io（消隙偏置電流），其輸出力矩大小相等方向相反；若主機(jī)消隙系統(tǒng)需要的輸出合力矩增加時(shí)，兩主電機(jī)的電樞電流隨圖4的消隙電流曲線變化，其中一個(gè)通道的輸出力矩將逐漸減小至零，從阻力源變?yōu)閯?dòng)力源；若主消隙系統(tǒng)需要的輸出合力矩繼續(xù)增加，兩主電機(jī)的電樞電流大于Iq（拐點(diǎn)電流值）后，兩主電機(jī)將以相同出力對(duì)外作功。

主從消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成了四消隙，主消隙控制板速度閉環(huán)后，將速度閉環(huán)值通過(guò)主從通信傳輸至從機(jī)消隙控制板，主機(jī)與從機(jī)同步進(jìn)行消隙算法處理，分別驅(qū)動(dòng)主從消隙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)超大負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)四電機(jī)消隙同步控制。

2 四消隙的實(shí)現(xiàn)

2.1 伺服方案

伺服選用4臺(tái)63 kW交流伺服驅(qū)動(dòng)器及2塊消隙控制板。伺服驅(qū)動(dòng)器的主控芯片為DSP，主要功能為SVPWM控制、保護(hù)功能、電流閉環(huán)及SPI通信，電流環(huán)控制周期≤83.33 uS，最大電流150 A；消隙控制板的主控芯片為ARM，主要功能為I/O口控制、速度閉環(huán)、消隙算法、CAN通訊控制及SPI通信，速度環(huán)控制周期≤333.33 uS，速度環(huán)調(diào)速比3 000 rpm∶0.3 rpm。

2.2 軟件方案

2.3 四電機(jī)消隙波形

采用圖1所示構(gòu)建四電機(jī)消隙控制系統(tǒng)，消隙控制器實(shí)現(xiàn)算法波形圖如圖3所示，四電機(jī)消隙控制系統(tǒng)軟件算法如圖5所示[1，5，6]，四電機(jī)消隙波形圖如6所示。從圖6看四電機(jī)消隙波形一致，同步性?xún)?yōu)良，不僅可以實(shí)現(xiàn)消隙功能，還能實(shí)現(xiàn)四電機(jī)同步控制。

3 四消隙的特點(diǎn)

消隙伺服系統(tǒng)在消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒隙帶來(lái)的非線性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、消隙效果好及成本低的優(yōu)勢(shì)。隨著四消隙伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

（1）消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒隙；

（2）高精度，響應(yīng)速度快，帶寬高；

（3）調(diào)速比高、穩(wěn)定性好；

（4）極大提高了超大轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載能力；

（5）既能實(shí)現(xiàn)多伺服同步控制，又能實(shí)現(xiàn)消隙技術(shù)；

（6）能通過(guò)主從通訊擴(kuò)展同步控制更多伺服驅(qū)動(dòng)器。

鑒于以上的特點(diǎn)，可應(yīng)用于高精度、超大負(fù)載的齒輪傳動(dòng)伺服系統(tǒng)控制場(chǎng)合，如應(yīng)用于高精度超大負(fù)載消隙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及大中型數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人控制、工業(yè)控制、轉(zhuǎn)臺(tái)控制、武器火力控制、雷達(dá)控制及慣性導(dǎo)航領(lǐng)域中。

4 結(jié)語(yǔ)

四伺服同步控制四電機(jī)消隙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)四電機(jī)雙消隙曲線，不僅消除了超大負(fù)載齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒隙，還通過(guò)調(diào)速比及減速機(jī)的傳遞比，使驅(qū)動(dòng)上百?lài)嵓皫装賴(lài)嵉呢?fù)載跟隨控制系統(tǒng)，進(jìn)行高精度的隨動(dòng)控制成為現(xiàn)實(shí)。目前四伺服同步控制四電機(jī)消隙系統(tǒng)產(chǎn)品已在轉(zhuǎn)臺(tái)控制、工業(yè)控制領(lǐng)域得到了應(yīng)用，未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)更多數(shù)量伺服同步控制的消隙系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]江勇，張偉，劉曉源，等.雙電機(jī)消隙技術(shù)在串聯(lián)機(jī)械臂中的仿真與應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程，2020，31（16）： 1991-1997.

[2]鄭杰基，陳凌宇，范大鵬，等.雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)消隙方法研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2022，33（22）：2684-2692.

[3]李方俊，王生捷，李浩.基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾p電機(jī)同步消隙策略研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2021，48（3）：27-35.

[4]李莉.雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)消隙及同步控制方法研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2017.

[5]楊國(guó)文，靳磊，趙沖，等.高速搜索雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（11）：106-109.

[6]陳立奇.基于單片機(jī)的嵌入式多電機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2020，28（5）：117-122.