液體靜壓支承平臺(tái)的直驅(qū)低速性能影響因素分析*

陳東生 吉 方 藍(lán) 河

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

由于液體靜壓相對(duì)于氣體靜壓導(dǎo)軌具有剛度大、阻尼高、受外界干擾小的特點(diǎn)，應(yīng)用中能夠得到更高的控制精度，對(duì)于加工機(jī)床多采用液體靜壓支承導(dǎo)軌。液靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)中，導(dǎo)軌采用了一層帶有壓力的油膜，該油膜均勻地分布在導(dǎo)軌接觸面上，可使運(yùn)動(dòng)部件在油膜上滑動(dòng)，由于導(dǎo)軌表面之間不發(fā)生直接接觸，因此導(dǎo)軌操作時(shí)不會(huì)磨損，而且，由于運(yùn)動(dòng)部件懸浮在油膜上滑動(dòng)，從而減小了振動(dòng)對(duì)機(jī)床所產(chǎn)生的影響。液靜壓導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)需要滿足超精密加工的需要，對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用伺服系統(tǒng)的性能主要有以下兩個(gè)方面的要求:(1)有穩(wěn)定平滑的瞬態(tài)響應(yīng)，尤其是低速平滑性;(2)要求其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)位置跟隨誤差小，以獲得高精度的定位和跟蹤控制性能。

導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)形式主要有滾珠絲杠、液體靜壓絲杠、直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)等方式。直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)消除了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、摩擦小、無齒隙誤差響應(yīng)快、精度高。但其結(jié)構(gòu)上的簡化必然增加控制上的難度，中間環(huán)節(jié)的消除使得外部干擾無衰減地直接作用于直線電動(dòng)機(jī)，影響機(jī)構(gòu)的伺服控制性能。筆者針對(duì)液靜壓導(dǎo)軌支承平臺(tái)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)性能，從整個(gè)液靜壓支承平臺(tái)的機(jī)電特性出發(fā)，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部分對(duì)性能的影響進(jìn)行分析。

1 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液靜壓支承平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型分析

單純對(duì)直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行分析是沒有實(shí)際意義的，必須針對(duì)實(shí)際的負(fù)載和支承結(jié)構(gòu)，并對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)連接的機(jī)械進(jìn)行分析。直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)對(duì)象是液靜壓支承導(dǎo)軌，液靜壓導(dǎo)軌的阻尼比較高，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言產(chǎn)生了一個(gè)較大的摩擦阻力ffric(x·)，在加工時(shí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)載切削力fload(t)，直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)紋波推力fripp(x)，加工時(shí)還會(huì)受到其他的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的拖鏈及線纜摩擦等外部干擾力fn(t)。系統(tǒng)要想運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)(恒速運(yùn)行狀態(tài)和定位運(yùn)動(dòng)狀態(tài))，根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程，力的矢量和必須為零。液靜壓導(dǎo)軌支承的永磁同步直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如下:

對(duì)于液靜壓平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)性能而言，就是看x··的特性如何，加速度為零，平臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng);加速度大，平臺(tái)動(dòng)態(tài)性能好;電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力f(t)需要實(shí)時(shí)平衡外部的切削力、導(dǎo)軌摩擦力(油膜的粘性剪切阻力)、電動(dòng)機(jī)紋波推力、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的拖鏈及線纜摩擦等外部擾動(dòng)，從而獲得系統(tǒng)需要的x··。為此，要獲得優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)特性，從動(dòng)力學(xué)分析來看，首先要盡量減小外部力的擾動(dòng)，即切削力恒定、導(dǎo)軌油膜的粘性剪切阻力變化很小、齒槽磁阻效應(yīng)和端部效應(yīng)引起的氣隙磁場密度不均勻或不對(duì)稱而造成的紋波推力穩(wěn)定、平臺(tái)拖鏈及線纜摩擦力小或穩(wěn)定;其次是電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力要根據(jù)外部變化力快速穩(wěn)定的輸出(高動(dòng)態(tài)響應(yīng))、并且輸出穩(wěn)定可控。

2 液靜壓支承平臺(tái)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

通過前面力學(xué)分析，改善直驅(qū)性能，非常重要的一點(diǎn)是要對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定地控制。驅(qū)動(dòng)力的控制受哪些關(guān)鍵因素影響?這需要通過分析直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)組成，如圖1 所示。

高精度直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，直線光柵尺位置反饋，霍爾元件電動(dòng)機(jī)換相，電流環(huán)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，速度環(huán)與位置環(huán)通過UMAC 控制器來實(shí)現(xiàn)。

直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)通過高精度光柵尺獲得實(shí)時(shí)位置反饋。全閉環(huán)控制輸出實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓，直線電動(dòng)機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生實(shí)時(shí)推力。從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，驅(qū)動(dòng)力的控制取決于驅(qū)動(dòng)電壓的準(zhǔn)確性能、光柵尺的反饋精度以及優(yōu)良的控制算法。

3 驅(qū)動(dòng)性能影響因素分析

3.1 檢測元件反饋信號(hào)

由于直線電動(dòng)機(jī)自身的電磁場會(huì)對(duì)位置傳感器產(chǎn)生一定的干擾，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密位移機(jī)構(gòu)一般不選用感應(yīng)同步尺、磁柵等利用電磁感應(yīng)原理工作的元器件，而選擇利用光電轉(zhuǎn)換原理工作的高精度光柵尺。在直線電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制中，光柵的信號(hào)作為控制的唯一反饋輸入，它的優(yōu)劣直接影響到最終的控制性能。光柵尺的輸出信號(hào)類型，常用的有兩種:一種是經(jīng)過信號(hào)細(xì)分處理的TTL 數(shù)字信號(hào)，另一種是沒經(jīng)過細(xì)分處理的1Vpp 模擬信號(hào)。

筆者專門就光柵尺信號(hào)做過一些對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下的分析結(jié)論:

(1)光柵尺信號(hào)是反饋給驅(qū)動(dòng)器用的，這存在一個(gè)信號(hào)傳輸與檢測問題，1Vpp 模擬信號(hào)的傳輸相對(duì)于TTL 數(shù)字信號(hào)要求更加嚴(yán)格。TTL 信號(hào)可以被驅(qū)動(dòng)器四倍頻后直接使用，但由于信號(hào)是提前細(xì)分，并且在驅(qū)動(dòng)器檢測時(shí)采用數(shù)字電路檢測，必定有一個(gè)延時(shí)，這就導(dǎo)致了控制的滯后。而1Vpp 模擬信號(hào)是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部細(xì)化后直接用于控制輸入，信號(hào)的延時(shí)要小一些。對(duì)于高精度的直線電動(dòng)機(jī)控制最好采用1Vpp 模擬信號(hào)輸出的光柵尺。

(2)光柵尺的精度及分辨率對(duì)控制性能影響，總的來講，分辨率越高，控制精度會(huì)更高，但也受限于機(jī)構(gòu)的特性，到一定的程度，分辨率過高反而會(huì)減小系統(tǒng)的剛度，采用控制參數(shù)提高剛度又會(huì)減小系統(tǒng)的帶寬，這需要綜合考慮。

(3)另外驅(qū)動(dòng)器對(duì)光柵尺輸出信號(hào)的處理性能也大大影響到最終的控制性能。無論是采用TTL 信號(hào)還是采用1Vpp 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器如果沒有濾波處理功能，將會(huì)影響到信號(hào)的準(zhǔn)確性能，也影響到最終的控制性能。

3.2 電動(dòng)機(jī)功率變換器

功率變換器是電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，它直接影響到電動(dòng)機(jī)的控制精度及響應(yīng)特性。當(dāng)前的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率變換器有兩種類型，一種是線性驅(qū)動(dòng)，一種是PWM 驅(qū)動(dòng)。線性驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是電流紋波小、控制精度高，缺點(diǎn)是效率低，在大容量高電壓條件下，較大一部分功率被功率管消耗掉了，所以適用于小功率場合。PWM 功率變換器的特點(diǎn)是功耗小、效率高，缺點(diǎn)是開關(guān)干擾嚴(yán)重、精度較差，在要求極高的定位精度以及平滑運(yùn)行的場合，由于PWM 斬波引起的電流脈動(dòng)以及為防止橋臂短路而設(shè)定的死區(qū)時(shí)間引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)不到所需要的性能，高頻化的PWM 功率變換器會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使噪聲增大，影響了定位精度和穩(wěn)定性。

因此，當(dāng)需要電機(jī)進(jìn)行低速精確定位或高速精密勻速運(yùn)行時(shí)，最好采用線性放大模式的功率變換器。圖2 為相同液體靜壓支承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、相同進(jìn)給速度下采用不同功率變換器系統(tǒng)采集的速度誤差曲線。

采用PWM 功率變換器來驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，進(jìn)給速度16 μm/s，速度波動(dòng)±27 μm/s，采用線性功率變換器驅(qū)動(dòng)時(shí)，進(jìn)給速度16 μm/s，速度波動(dòng)±10 μm/s。在低速下對(duì)線性驅(qū)動(dòng)的速度穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于PWM 驅(qū)動(dòng)。

3.3 控制模式及伺服參數(shù)的影響

前面分析了電動(dòng)機(jī)的輸入與輸出的影響，最為重要的是如何去根據(jù)輸入來響應(yīng)輸出。這就是驅(qū)動(dòng)控制算法。

對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，各種擾動(dòng)將毫無任何緩沖的直接作用于直線電動(dòng)機(jī)。為此系統(tǒng)不設(shè)計(jì)簡單的單一回路結(jié)構(gòu)，而是采用多環(huán)路結(jié)構(gòu)，即將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為串級(jí)控制系統(tǒng)。采用具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)用一快速回路來抑制干擾，干擾作用在電流環(huán)以內(nèi)，如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，則電流環(huán)內(nèi)環(huán)能夠及時(shí)調(diào)節(jié)，以減小轉(zhuǎn)速的變化，而不會(huì)對(duì)速度環(huán)及位置環(huán)產(chǎn)生干擾。如果干擾作用在電流環(huán)以外，如負(fù)載擾動(dòng)，則靠速度環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這時(shí)干擾量在下級(jí)局部調(diào)節(jié)環(huán)中已得到控制，而沒有必要經(jīng)過整個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象就很快被補(bǔ)償了。主環(huán)路及位置環(huán)選用較窄的帶寬以保證精度。

對(duì)于控制器參數(shù)優(yōu)化的通常方法是逐漸增大速度與位置環(huán)的PID 的增益，同時(shí)在示波器上監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)，開始把比例增益增大到不產(chǎn)生振蕩情況下的最大值，其次增大積分增益來減小誤差直到系統(tǒng)進(jìn)到不穩(wěn)狀態(tài)為止，然后減小積分增益使系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)振蕩響應(yīng)，利用增大增益來抑制振蕩，最后會(huì)得到一組較優(yōu)的參數(shù)。

對(duì)于電流環(huán)參數(shù)，由于對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部算法的不明晰，一般不會(huì)去優(yōu)化。但在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，電動(dòng)機(jī)一使能后就嘯叫。為此，首先對(duì)控制器的位置與速度環(huán)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，無論如何優(yōu)化，電動(dòng)機(jī)嘯叫沒有改善;其次，認(rèn)為是電動(dòng)機(jī)的安裝氣隙沒有達(dá)到要求造成的，但在進(jìn)行拆卸后檢查電動(dòng)機(jī)的安裝精度發(fā)現(xiàn)是滿足安裝要求的;既而分析是否是光柵尺精度不好導(dǎo)致的，但系統(tǒng)只對(duì)電流環(huán)設(shè)置時(shí)發(fā)現(xiàn)仍然有嘯叫，故應(yīng)該不是光柵尺導(dǎo)致的;再分析是否是電動(dòng)機(jī)的推力太小，而負(fù)載的慣量很大，約450 kg，將負(fù)載減小和負(fù)載加大，但故障仍然有;最后是通過優(yōu)化電流環(huán)的Kp與Ki參數(shù)，才消除嘯叫。

3.4 外界干擾力的影響

前面分析了電動(dòng)機(jī)自身對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，下面分析外界變化的干擾力對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響。

(1)切削力影響 液體靜壓支承平臺(tái)由于剛度大，是可以應(yīng)用于精密加工的，它在加工過程中受到的切削力有兩種，一種為斷續(xù)切削，一種為連續(xù)切削。對(duì)于連續(xù)切削，切削力波動(dòng)較小，對(duì)性能的影響要小一些。對(duì)于斷續(xù)切削，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的切削力，會(huì)對(duì)速度的穩(wěn)定性能有一定的影響，但通過增加速度環(huán)的剛性是可以減小影響的。

(2)導(dǎo)軌油膜的粘性剪切阻力 導(dǎo)軌油膜的粘性剪切阻力是一個(gè)非常不好檢測的力，粘性剪切阻力與導(dǎo)軌間隙、液壓油壓力相關(guān)，在相同條件下，通過調(diào)節(jié)液壓油的壓力，發(fā)現(xiàn)壓力改變對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響并不十分明顯。這可能與液壓靜壓導(dǎo)軌存在一定的阻尼有關(guān)系。

(3)平臺(tái)風(fēng)琴罩及線纜摩擦力的影響 對(duì)于液體靜壓平臺(tái)需要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行防護(hù)，防止切屑及粉塵進(jìn)入液壓油，一般采用風(fēng)琴罩進(jìn)行防護(hù)，而平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)風(fēng)琴罩殼多少會(huì)產(chǎn)生一些刮擦，這樣會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生不恒定的外力，另外直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子線纜的摩擦力也是一個(gè)變力，這些力在運(yùn)動(dòng)過程中形成了電動(dòng)機(jī)的干擾力，并且不經(jīng)任何緩沖直接作用與電動(dòng)機(jī)。尤其對(duì)速度平滑性要求很高的低速運(yùn)動(dòng)時(shí)其影響更大。要減小它們的影響主要有兩個(gè)方面:一方面是減小外界干擾力，另一方面是增加伺服系統(tǒng)的魯棒性。風(fēng)琴罩可以采用柔性風(fēng)琴罩和接觸部分涂抹潤滑油來減小刮擦力;線纜摩擦力可以通過加大線纜彎曲半徑、同時(shí)在線纜上涂抹潤滑脂等方法來減小。

4 結(jié)語

(1)對(duì)于高精度的直線電動(dòng)機(jī)控制最好采用1Vpp 模擬信號(hào)輸出的光柵尺，同時(shí)需要綜合設(shè)計(jì)光柵尺的分辨率。驅(qū)動(dòng)器對(duì)光柵尺輸出信號(hào)進(jìn)行濾波噪聲處理以及信號(hào)強(qiáng)度處理有利于驅(qū)動(dòng)性能的提高。

(2)當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速精確定位或高速精密勻速運(yùn)行時(shí)，最好采用線性放大模式的功率變換器。

(3)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的位置、速度、電流環(huán)PID 參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，有利于改善驅(qū)動(dòng)性能。

(4)為提高液靜壓支承平臺(tái)的直驅(qū)性能，減小外界干擾力尤其是平臺(tái)風(fēng)琴罩及線纜摩擦力是非常有益的。

［1］陳東生，吉方，藍(lán)河.帶HALL 直線電動(dòng)機(jī)的低速驅(qū)動(dòng)調(diào)整與優(yōu)化技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(12):161 -164.

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