發布日期：2022-04-18 點擊率：133
關鍵詞： 速度前饋；轉矩前饋；傳統微分；新型前饋；沖壓機械手
摘要：本文分析伺服系統中速度前饋和轉矩前饋的原理及作用，針對傳統微分提取速度和轉矩前饋量的控制方法存在的不足以及總線伺服系統位置軌跡規劃在驅動器內部的特殊性提出了一種新型速度和轉矩前饋量的提取方法，并在三軸沖壓機械手上進行了應用測試，對比每軸測試結果證實本文方法的可行性和優越性。
Analysis and Application of Feedforward Control based on Bus Servo System
Author1 author2
(Leadshine Technology Co., Ltd, ShenZhen 518055)
Abstract This paper analyzed the principles and functions of velocity and torque feedforward in servo system, according to the shortcomings of the traditional control method on differential extracting speed and torque feedforward value and the bus servo system special characteristics of position trajectory planning, proposed a new extracting method of velocity and torque feedforward value. Application test on three-axis punching machine and comparing each axis test result, confirming feasibility and superiority of this method.
Keywords：velocity feedforward; torque feedforward; traditional differential; new feedforward; punching machine
隨著我國“工業4.0”和“中國智造2025”等口號的推出，工業領域對于伺服驅動技術提出了更高的要求。傳統脈沖型伺服系統由于接線復雜、可靠性低、多軸運動系統等無法滿足市場要求，總線伺服系統應運而生。但數控機床、工業機器人對伺服系統提出了高速率、高精度、無超調、快速定位的要求。
目前一般伺服驅動技術采用的是位置環、速度環、電流環的三環反饋控制，加上速度前饋和轉矩前饋控制[1][2][3]，前饋控制的加入提高系統的響應速度和跟蹤特性。文獻[4]提出在前饋控制的基礎上引入位置微分負反饋，克服了前饋控制對非連續位置響應的大超調性。文獻[5]針對速度前饋和轉矩前饋組成的雙前饋控制與速度前饋和加速度前饋組成的雙前饋控制技術進行比較，說明后者雙前饋控制更能提高伺服系統跟蹤機動目標的能力。文獻[6]中不僅加入了速度和加速度前饋，還加入了位置前饋控制，實驗表明了位置前饋控制器可以滿足高性能伺服定位的要求，不僅可以用于點位控制還能用于插補控制中的輪廓控制。但以上不論是速度前饋、轉矩前饋還是加速度前饋，都是采用的對位置指令進行微分運算得到速度前饋量，對該速度前饋量微分得到加速度前饋量，還是直接對位置指令進行二次微分得到的轉矩前饋量，無一不例外的是采用微分提取方法。
本文針對上述前饋量的傳統提取方法提出了一種在以總線伺服驅動裝置為平臺的提取方法，該方法并在沖壓機械手上應用，與傳統微分前饋控制方法應用效果進行對比。
1 交流伺服電機控制模型
交流伺服電機數學模型是一個多變量、強耦合復雜的非線性系統。為了對該復雜系統實現較高性能的控制，需要將三相靜止坐標系下的數學模型變換到兩相旋轉坐標系下，進而分別對勵磁電流分量和轉矩電流分量分開控制，即控制電機的勵磁和轉矩[7]。以下直接給出交流伺服電機在兩相靜止坐標系下的數學模型：
電壓方程為：
運動方程為：
本文構建交流伺服三閉環控制系統，如下圖1所示：
圖1 交流伺服三閉環控制框圖
2 前饋控制
2.1 傳統前饋控制
圖1所示的交流伺服三閉環控制系統中，由位置環、速度環、電流環構成，三環均采用反饋控制結構，穩態跟蹤誤差較大，動態跟蹤性能較差，無法滿足目前高性能的設備要求。針對這些存在的不足，給出以下帶有前饋控制的控制框圖：
圖2 傳統前饋控制框圖
圖2中，1點為位置指令，2點為速度前饋，3點為轉矩前饋，通過對位置指令進行微分得到2和3，加上一定的濾波，這是一般的傳統前饋控制方法，其他大多數的前饋控制改進也是在此基礎上加以改良。通過微分位置指令提取得到的前饋量在時序上存在至少一個控制周期，如下給出部分梯形曲線規劃的位置指令以及微分得到的前饋量示意圖：
圖3 傳統位置指令及前饋量時序示意圖
從圖3可以看出微分得到的速度前饋和轉矩前饋在時序上均滯后位置指令，并非同步輸出，加上平滑濾波環節，在控制上產生一定的延時必然達不到前饋控制的最佳效果。
2.2 新型前饋控制
為了解決上述傳統前饋控制在時序上的滯后缺陷，針對總線伺服驅動器位置軌跡規劃在驅動器內部的特點，以CANopen伺服驅動器為對象，作如下改進：
圖4新型前饋控制框圖
圖4中，1點為CANopen主控裝置發送的目標位置、目標速度、目標加減速度以及控制字等命令，由于軌跡規劃器在驅動器內實現，驅動器可以按照接受到的相關命令同步規劃出3點位置指令、4點速度前饋以及5點轉矩前饋，時序示意圖如下：
圖5 新型位置指令及前饋量時序示意圖
從圖5中可以看到，t1位置指令規劃起始時刻，同步開始規劃速度前饋和轉矩前饋，以至于加速段、勻速段、減速段均同步于位置指令規劃，并非對位置指令前后控制周期作差求微分的傳統方式。
3 沖壓機械手應用實驗
利用CANopen伺服驅動器驅動三軸沖壓機械手，在該沖壓機械手上分別做傳統前饋控制和新型前饋控制的應用試驗對比。
圖6給出了沖壓機械手真實圖形，其中包括擺臂軸、上下軸、伸縮軸，分別由三臺CANopen伺服驅動器來驅動：
以下給出三個軸分別用傳統前饋控制和新型前饋控制下均給予300%速度前饋量的波形以及局部放大波形如下，其中橫坐標為時間(ms)：
3.1 擺臂軸
圖7傳統前饋控制波形
圖8 新型前饋控制波形
3.2 上下軸
圖9 傳統前饋控制波形
圖10 新型前饋控制波形
3.3 伸縮軸
圖11 傳統前饋控制波形
圖12 新型前饋控制波形
3.4 數據對比
從以上圖7至圖12提煉出定位到位置誤差為100脈沖時的定位時間：
從以上圖7至圖12提煉出各軸加速到最大速度時的最大位置誤差脈沖數：
以上為前饋控制量的比例為300%下的數據，當該比例值設置更高時，提升值效果更明顯。
4 結論
在總線伺服系統越來越成為熱門應用市場方案時，高動態性和高定位精度均被提出更高要求。采用前饋控制不僅能實現無超調的準確定位，同時也能滿足提高伺服系統動態性能的目的。本文針對總線伺服驅動器對于曲線規劃的特殊性，提出了新型前饋控制方法，并與傳統前饋控制方法比較，應用實驗數據表面，該方法優化了速度前饋量和轉矩前饋量的提取，并提高了伺服系統的跟隨性和動態性。
參考文獻
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[2]黃科元, 周滔滔, 黃守道,等. 含前饋補償和微分反饋的數控位置伺服系統[J]. 中國機械工程, 2014,15(25): 2017-2023.
[3]鄧昌奇, 廖輝. 基于前饋控制的交流伺服系統精確定位的研究[J]. 武漢大學學報, 2013,3(46): 405-408.
[4]李華春, 周作春. 直線電機速度和加速度的復合前饋控制[J]. 機床與液壓, 2015,21(43): 146-149.
[5]楊 輝, 吳欽章, 范永坤, 等. 加速度前饋在高精度伺服跟蹤系統中的應用研究[J]. 光電技術應用, 2007,6(22): 48-51.
[6]胡慶波, 呂征宇. 全數字伺服系統中位置前饋控制器的設計[J]. 電氣傳動, 2005,5(35): 24-27.
[7]趙壽華. 永磁同步電機高性能控制系統研究[D]. 浙江大學, 2015.
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