伺服電機(jī)噪音的解決方法
噪聲通常定義為信號(hào)中的無用成分，噪聲無處不在。在數(shù)控機(jī)床及其周圍環(huán)境中，噪聲擾動(dòng)是不可避免的，噪聲擾動(dòng)包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動(dòng)信號(hào)等。各種噪聲擾動(dòng)信號(hào)必然會(huì)降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。在數(shù)控機(jī)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(dòng)信號(hào)的影響。
針對(duì)各種擾動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器并在伺服控制系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償是一種減少擾動(dòng)影響、進(jìn)而提高系統(tǒng)魯棒性的辦法。國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)伺服控制中擾動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行了補(bǔ)償控制方法研究。KIM等設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊擾動(dòng)觀測(cè)器，用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反饋跟蹤控制，將模糊擾動(dòng)觀測(cè)器用于永磁同步電機(jī)的速度控制;RYOO等設(shè)計(jì)了一個(gè)魯棒擾動(dòng)觀測(cè)器，在光盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的磁道跟蹤控制中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn);LU等采用滑模重復(fù)控制理論研究了擾動(dòng)信號(hào)觀測(cè)器;董明曉等結(jié)合混合靈敏度設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床伺服H∞魯棒控制器。
文中分析了噪聲擾動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響，提出了一種針對(duì)噪聲擾動(dòng)信號(hào)觀測(cè)與補(bǔ)償?shù)目刂品椒?通過檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，將噪聲擾動(dòng)觀測(cè)出來，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。針對(duì)典型鋸齒波噪聲擾動(dòng)信號(hào)做了仿真試驗(yàn)。
數(shù)控伺服系統(tǒng)模型以及電氣擾動(dòng)影響
帶噪聲擾動(dòng)的半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)方框簡(jiǎn)圖。設(shè)來自插補(bǔ)器的位置指令信號(hào)為X(s)，伺服電機(jī)角位移輸出信號(hào)為Y(s)，設(shè)位置控制環(huán)節(jié)采用比例控制，傳遞函數(shù)為噪聲擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差與擾動(dòng)信號(hào)本身有關(guān)，還與N(s)在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中作用點(diǎn)之前的部分有關(guān)。
噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法
進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，加入噪聲擾動(dòng)觀測(cè)和補(bǔ)償環(huán)節(jié)。如圖2所示，通過檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓信號(hào)和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，將擾動(dòng)信號(hào)N(s)觀測(cè)出來，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。
由式(3)—(5)可得加入噪聲擾動(dòng)以及觀測(cè)與補(bǔ)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(duì)噪聲擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償方法可以補(bǔ)償擾動(dòng)影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。
噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法仿真
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(duì)噪聲擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)補(bǔ)償仿真研究時(shí)，設(shè)位置指令輸入信號(hào)為2sin(0.4πt);噪聲擾動(dòng)為鋸齒波信號(hào)，幅值為0.5，周期為2s。
當(dāng)不考慮噪聲擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，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±0.006mm范圍內(nèi);當(dāng)加入噪聲擾動(dòng)信號(hào)但不進(jìn)行擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償時(shí)，跟蹤誤差如圖5所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.02mm范圍內(nèi);當(dāng)采用文中噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法后，跟蹤誤差如圖6所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.007mm范圍內(nèi)。對(duì)比說明所研究噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法，可有效提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的抗干擾能力。
結(jié)論
噪聲信號(hào)無處不在，在數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器接口處，噪聲擾動(dòng)包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動(dòng)信號(hào)等。各種噪聲擾動(dòng)信號(hào)必然會(huì)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(bǔ)償角度，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)噪聲擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償方法:通過檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，將噪聲擾動(dòng)觀測(cè)出來，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。針對(duì)典型鋸齒波擾動(dòng)信號(hào)的仿真表明:所提出觀測(cè)與補(bǔ)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(duì)硬件抗擾動(dòng)技術(shù)的一個(gè)有益補(bǔ)充。
