一種基于伺服系統(tǒng)實現(xiàn)四電機消隙的控制方法

唐智鵬

摘 要： 針對齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動超大負載轉(zhuǎn)臺高精度、快速響應的消隙伺服控制領(lǐng)域，雙電機消隙伺服系統(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，為此，設(shè)計了基于四伺服同步控制四電機消隙系統(tǒng)；實現(xiàn)了多伺服同步控制的四電機消隙，有效地降低單臺消隙伺服系統(tǒng)的功率、體積、成本，并且安裝也相對靈活；又能較好地實現(xiàn)百噸級超大負載高精度快響應控制。

關(guān)鍵詞： 高精度 伺服系統(tǒng) 消隙 四電機消隙 超大負載

中圖分類號： TP273文獻標識碼： A文章編號： 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、高速鐵路等行業(yè)的高速發(fā)展，轉(zhuǎn)臺控制的精度越來越高，所以對高精度、高響應、高速度的轉(zhuǎn)臺控制技術(shù)需要更加迫切，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的驅(qū)動方式主要為高速伺服電機+齒輪傳動，齒輪傳動是利用兩齒輪輪齒相互嚙合來傳遞動力和運動的機械傳動，齒輪傳動是應用十分廣泛的一種機械傳動。

這種間接傳動方式在完成各種運動時存在諸多問題，產(chǎn)生的摩擦，變形、反向間隙等會引起系統(tǒng)響應速度慢、動態(tài)剛度差，及其他非線性誤差，難以滿足現(xiàn)代日益增長的高精度要求。為了解決這些問題，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)動超大負載轉(zhuǎn)臺進行高精度、高響應、高速度成為現(xiàn)實。

四消隙伺服控制可以使用主從雙電機消隙伺服系統(tǒng)及主從消隙控制實現(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SPI通信控制兩臺伺服驅(qū)動兩臺伺服電機，電機帶動減速機、齒輪傳動機構(gòu)來驅(qū)動超大負載轉(zhuǎn)臺，來實現(xiàn)四消隙控制見圖1。

1 消隙的工作原理

1.1 齒輪傳動機構(gòu)消隙原理

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

主機消隙驅(qū)動系統(tǒng)由主消隙控制板實現(xiàn)主電機消隙算法，使小齒輪1對大齒輪產(chǎn)生一個順時針的靠前齒力，使小齒輪2對大齒輪產(chǎn)生一個逆時針的靠后齒力，進而消隙了小齒輪1、小齒輪2與大齒輪之間的間隙，從機消隙驅(qū)動系統(tǒng)齒輪消隙也亦然。

1.2 伺服消隙過程

當主機消隙驅(qū)動系統(tǒng)處于閉環(huán)消隙工作狀態(tài)時，主機兩主電機是按圖3所示的電流控制曲線，通過各自的減速器去驅(qū)動轉(zhuǎn)臺齒輪（該齒輪與轉(zhuǎn)臺應為無隙連結(jié)結(jié)構(gòu)），從圖中可看到，永遠不會出現(xiàn)兩個主機電機輸出轉(zhuǎn)矩同時為零的情況，也就是說，任何時候兩個電機至少有一個會對轉(zhuǎn)臺齒輪施加不為零的轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)臺的運動間隙就不可能存在。當然，此轉(zhuǎn)矩必須大于傳動鏈本身的摩擦力矩[2，3，4]。

主機伺服驅(qū)動的電流環(huán)輸入電壓與電機輸出轉(zhuǎn)矩之間呈線性關(guān)系，主機伺服驅(qū)動系統(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，就可以達到消除齒隙的目的。

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

主從消隙驅(qū)動系統(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)值通過主從通信傳輸至從機消隙控制板，主機與從機同步進行消隙算法處理，分別驅(qū)動主從消隙驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)對超大負載轉(zhuǎn)臺四電機消隙同步控制。

2 四消隙的實現(xiàn)

2.1 伺服方案

伺服選用4臺63 kW交流伺服驅(qū)動器及2塊消隙控制板。伺服驅(qū)動器的主控芯片為DSP，主要功能為SVPWM控制、保護功能、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 四電機消隙波形

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

3 四消隙的特點

消隙伺服系統(tǒng)在消除傳動機構(gòu)的齒隙帶來的非線性，具有結(jié)構(gòu)簡單、消隙效果好及成本低的優(yōu)勢。隨著四消隙伺服系統(tǒng)的特點如下：

（1）消除傳動機構(gòu)的齒隙；

（2）高精度，響應速度快，帶寬高；

（3）調(diào)速比高、穩(wěn)定性好；

（4）極大提高了超大轉(zhuǎn)臺負載能力；

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

（6）能通過主從通訊擴展同步控制更多伺服驅(qū)動器。

鑒于以上的特點，可應用于高精度、超大負載的齒輪傳動伺服系統(tǒng)控制場合，如應用于高精度超大負載消隙傳動機構(gòu)及大中型數(shù)控系統(tǒng)、機器人控制、工業(yè)控制、轉(zhuǎn)臺控制、武器火力控制、雷達控制及慣性導航領(lǐng)域中。

4 結(jié)語

四伺服同步控制四電機消隙系統(tǒng)，實現(xiàn)四電機雙消隙曲線，不僅消除了超大負載齒輪傳動機構(gòu)的齒隙，還通過調(diào)速比及減速機的傳遞比，使驅(qū)動上百噸及幾百噸的負載跟隨控制系統(tǒng)，進行高精度的隨動控制成為現(xiàn)實。目前四伺服同步控制四電機消隙系統(tǒng)產(chǎn)品已在轉(zhuǎn)臺控制、工業(yè)控制領(lǐng)域得到了應用，未來隨著技術(shù)的發(fā)展可實現(xiàn)更多數(shù)量伺服同步控制的消隙系統(tǒng)。

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