基于全闭环控制技术的滚珠丝杆伺服系统研究*

霍晓锐,赵现朝,石继超,黄孟杰

(上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240)

0 引 言

滚珠丝杆机构是数控加工设备中的常用机构,除了可以应用在进给平台的运动外,还可应用于各种并联机构和混联机构的运动支链当中。

目前,为了保证运动支链的运动精度,高端机床通常采用的是以光栅尺作为位置反馈元件的全闭环的控制策略。这种方式虽然能够直接测量执行机构的位置,避免由于机械间隙等带来的稳态误差;但是由于从电机的输出端到执行机构之间引入了更多的摩擦和机械间隙等非线性因素,系统的动态特性变差。

全闭环系统中存在最突出的两个问题是:(1)由于摩擦导致的爬行现象;(2)由于机械间隙在反向运动时产生的平顶现象,需要设计相应的模块进行补偿。基于摩擦模型的补偿方式是目前常用的摩擦补偿方式之一[1]。这种补偿方式的关键在于摩擦模型的选择以及摩擦参数的确定。早期的摩擦模型主要集中在静态摩擦模型,包括Coulomb模型[2]、Bingham模型[3]以及Stribeck模型[4]等。这类模型虽然能够比较精确地描述速度稳态时的摩擦力变化,但却无法描述预滑移阶段的动态特性。

直至近几十年,动态摩擦模型的出现使得系统在低速、小位移状态下的摩擦力可以得到较为精确的描述,比较著名的模型有Dahl模型[5]、Leuven模型[6]以及LuGre模型[7]等等。其中,Lugre模型凭借其模型简单、描述精确[8]等特点得到了广泛的应用。而采用LuGre模型的难点在于4个静态参数以及两个动态参数的确定。……