CN110308701A - 一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,包括以下步骤:步骤一,根据考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度分析模型,得到***干扰传递函数;步骤二,根据步骤一得到的***干扰传递函数,提取特征方程;步骤三,将实际***参数带入步骤二中得到的特征方程中,得到特征方程的根,对特征方程的根进行判别;步骤四,根据步骤三中的判别结果,利用步骤一得到的***干扰传递函数Gr(s),通过拉普拉斯逆变换,得到单一推力谐波作用下的***运动精度;步骤五,重复步骤四,得到所有推力谐波的直驱高速进给***运动精度;本发明将传统分析中的直线电机推力波动问题直接延伸到最终进给***的运动精度,对于进一步评价直线电机的推力波动现象在实际数控机床中的影响程度具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于电机驱动与控制领域,具体涉及一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,适用于高速高精数控机床等场合。
背景技术
永磁同步直线电机进给***实现了进给零传动,相比较传统的滚珠丝杠进给***,具有推力大、速度高和精度好等优点,在高速高精数控机床等众多领域具有广泛的应用前景。然而零传动结构也具有众多的缺点,其中最突出的问题是由于驱动电路和电机结构非线性造成的推力波动。针对推力波动,国内外学者进行了大量的研究工作,围绕电机结构优化与控制补偿算法提出了多种方法,对于改善推力波动具有重要的价值和意义。
直驱高速进给***取消了所有的中间机械传动环节,推力谐波直接作用于机械***,尽管经过了结构优化和控制补偿,但是很难彻底消除各类因素引起的推力波动。相比传统滚珠丝杠进给***,推力谐波依然对***运动精度有着更加显著的影响。传统的推力谐波分析与计算方法,仅仅针对于永磁同步直线电机本身,并没有将其影响扩展到进给***最终的运动精度。虽然借助于一些数值仿真软件,能够得到推力谐波作用下的***输出响应,但是这种方法计算耗时,分析结果无法解释推力谐波作用的内部机理,不便于讨论不同伺服控制参数和负载下不同频率推力谐波对***运动精度的影响规律,难以快速有效的分析推力谐波影响的敏感参数。如果能够建立一种快速精确的考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度解析计算方法,对于进一步优化伺服参数和构建控制补偿策略具有重要的价值和意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,解决了现有技术中直驱高速进给***的推力谐波分析与计算方法存在耗时、难以快速有效的分析推力谐波影响的敏感参数的问题。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
本发明提供的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,包括以下步骤:
步骤一,根据考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度分析模型,得到***干扰传递函数;
步骤二,根据步骤一得到的***干扰传递函数,提取特征方程;
步骤三,将实际***参数带入步骤二中得到的特征方程中,得到特征方程的根,对特征方程的根进行判别;
步骤四,根据步骤三中的判别结果,利用步骤一得到的***干扰传递函数Gr(s),通过拉普拉斯逆变换,得到单一推力谐波作用下的***运动精度;
步骤五,重复步骤四,得到所有推力谐波的直驱高速进给***运动精度。
优选地,步骤一中,***干扰传递函数Gr(s)的表达式为:
其中,Gr(s)为***干扰传递函数,s为拉普拉斯算子,xo(s)为***输出响应,Ftr(s)为电机推力谐波,Kp为位置环比例增益,Kv为速度环比例增益,Tv为速度环积分时间,KA为电流环等效比例增益,KF为电机推力常数,m为驱动负载质量。
优选地,步骤二中,特征方程的表达式为:
as3+bs2+cs+d=0
其中,a=m,b=KvKF,c=KvKF/Tv+KFKvKp,d=KpKvKF/Tv。
优选地,步骤三中,对特征方程的根进行判别的具体方法是:
当D=b2-3ac<0时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有三个实根。
优选地,步骤四中,单一推力谐波作用下的***运动精度的表达式为:
xtr0(t)=L-1[Gr(s)·Ftr(s)]
其中,L-1表示拉普拉斯逆变换,Ftr(s)为推力谐波的复数域形式。
优选地,步骤五中,所有推力谐波的直驱高速进给***运动精度的表达式为:
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,通过将传统分析中的直线电机推力波动问题直接延伸到最终进给***的运动精度,对于进一步评价直线电机的推力波动现象在实际数控机床中的影响程度具有重要的指导意义。而且该计算方法能够精确的得到多频推力谐波扰动作用下的直驱高速进给***运动输出响应的解析解,利用计算结果能够便捷的讨论不同伺服控制参数和负载下不同频率推力谐波对***运动精度的影响规律,可以有效的分析推力谐波影响的敏感参数,尤其对于进一步优化伺服参数和构建控制补偿策略具有重要的价值和意义。
附图说明
图1是直驱高速进给***运动精度分析模型;
图2是考虑推力谐波作用的直驱高速进给***运动平稳性测试结果。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明进一步详细说明。
本发明提供的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,包括以下步骤:
步骤一,建立考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度分析模型,得到***干扰传递函数Gr(s),即
其中,Gr(s)为***干扰传递函数,s为拉普拉斯算子,xo(s)为***输出响应,Ftr(s)为电机推力谐波,Kp为位置环比例增益,Kv为速度环比例增益,Tv为速度环积分时间,KA为电流环等效比例增益,KF为电机推力常数,m为驱动负载质量。
考虑推力谐波的直驱高速进给***运动精度分析模型,具体包括位置环、速度环、电流环、直线电机以及驱动部件和反馈部件,位置环采用比例控制,速度环采用比例积分控制,电流环等效为比例增益,直线电机产生的推力谐波以干扰的形式引入模型,机械***等效为单惯量***,闭环反馈回路增益为1。
步骤二:根据步骤一得到的传递函数,提取特征方程,即
as3+bs2+cs+d=0
其中:a=m,b=KvKF,c=KvKF/Tv+KFKvKp,d=KpKvKF/Tv
将实际***参数带入步骤二中得到的特征方程中,得到特征方程的根,对特征方程的根进行判别;
其中,实际***参数包括位置环比例增益、速度环比例增益和积分时间、电机推力常数和***驱动负载。
对特征方程的根的情况进行判别的具体方法是:
当D=b2-3ac<0时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有三个实根。
步骤三:根据步骤二得到的特征方程根的情况,利用步骤一得到的干扰传递函数,通过拉普拉斯逆变换,得到单一推力谐波作用下的***运动精度,即
xtr0(t)=L-1[Gr(s)·Ftr(s)]
步骤四:重复步骤三,得到所有推力谐波的直驱高速进给***运动精度,即
实施例
本实施例选择某台配有直驱进给***的单轴进给实验台,该实验台最大进给速度为30m/min,最大加速度为1g。具体步骤如下:
步骤一:建立考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度分析模型,如附图1所示,具体包括位置环、速度环、电流环、直线电机、驱动部件和反馈部件,其中,位置环采用比例控制;速度环采用比例积分控制;电流环等效为比例增益;直线电机产生的推力谐波以干扰的形式引入模型;机械***等效为单惯量***,闭环反馈回路增益为1。
根据建立的运动精度分析模型,得到***干扰传递函数,即
其中,Gr(s)为***干扰传递函数,s为拉普拉斯算子,xo(s)为***输出响应,Ftr(s)为电机推力谐波,Kp为位置环比例增益,Kv为速度环比例增益,Tv为速度环积分时间,KA为电流环等效比例增益,KF为电机推力常数,m为驱动负载质量。
步骤二:根据步骤一得到的传递函数,提取特征方程,即
as3+bs2+cs+d=0
其中,a=m,b=KvKF,c=KvKF/Tv+KFKvKp,d=KpKvKF/Tv
将实际***参数带入步骤二中得到的特征方程中,得到特征方程的根,对特征方程的根进行判别;
其中,实际***参数包括位置环比例增益、速度环比例增益和积分时间、电机推力常数和***驱动负载。
对特征方程的根的情况进行判别的具体方法是:
当D=b2-3ac<0时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有三个实根。
步骤三:假设直线电机中的推力谐波是多个周期性的正弦形式,其最终的输出响应是多个谐波的叠加。为了简化计算过程,选其中一项,即
对应的拉普拉斯变换为:
利用步骤一得到的干扰传递函数,得到单一推力谐波作用下的复数域的运动精度,即
根据步骤二得到的特征方程根的情况,通过拉普拉斯逆变换,得到单一推力谐波作用下的***运动精度,即
当特征方程有一个实根和两个共轭虚根时,单一推力谐波作用下的***运动精度为:
当特征方程有三个实根时,单一推力谐波作用下的***运动精度为:
式中,各项为系数可通过拉普拉斯逆变换得到,s1,s2,s3分别为特征方程的三个根。
步骤四:重复步骤三,得到考虑所有推力谐波的直驱高速进给***运动精度,即当特征方程有一个实根和两个共轭虚根时,考虑所有推力谐波的***运动精度为:
当特征方程有三个实根时,考虑所有推力谐波的***运动精度为:
利用激光干涉仪对高速直驱运动***实际运动精度进行测试,采用频率为1KHz,进给速度为20m/min。
提取运动精度中的稳态位移波动误差项,对其进行傅里叶变换,分别对比不同频率下实验测试结果和理论计算结果,如附图2所示;由附图2可知,***稳态位移波动的理论和实验结果最大偏差仅为4%,证明了本发明所提出的计算方法的准确性和可靠性。
Claims (6)
1.一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,根据考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度分析模型,得到***干扰传递函数;
步骤二,根据步骤一得到的***干扰传递函数,提取特征方程;
步骤三,将实际***参数带入步骤二中得到的特征方程中,得到特征方程的根,对特征方程的根进行判别;
步骤四,根据步骤三中的判别结果,利用步骤一得到的***干扰传递函数,通过拉普拉斯逆变换,得到单一推力谐波作用下的***运动精度;
步骤五,重复步骤四,得到所有推力谐波的直驱高速进给***运动精度。
2.根据权利要求1所述的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,其特征在于,步骤一中,***干扰传递函数Gr(s)的表达式为:
其中,Gr(s)为***干扰传递函数,s为拉普拉斯算子,xo(s)为***输出响应,Ftr(s)为电机推力谐波,Kp为位置环比例增益,Kv为速度环比例增益,Tv为速度环积分时间,KA为电流环等效比例增益,KF为电机推力常数,m为驱动负载质量。
3.根据权利要求1所述的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,其特征在于,步骤二中,特征方程的表达式为:
as3+bs2+cs+d=0
其中,a=m,b=KvKF,c=KvKF/Tv+KFKvKp,d=KpKvKF/Tv。
4.根据权利要求1所述的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,其特征在于,步骤三中,对特征方程的根进行判别的具体方法是:
当D=b2-3ac<0时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有一个实根和两个共轭虚根;
当D=b2-3ac>0,且时,特征方程有三个实根。
5.根据权利要求1所述的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,其特征在于,步骤四中,单一推力谐波作用下的***运动精度的表达式为:
xtr0(t)=L-1[Gr(s)·Ftr(s)]
其中,L-1表示拉普拉斯逆变换,Ftr(s)为推力谐波的复数域形式。
6.根据权利要求1所述的一种考虑推力谐波特性的直驱高速进给***运动精度预测方法,其特征在于,步骤五中,所有推力谐波作用下的直驱高速进给***运动精度为:
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