步进电机控制和摩擦模型对复杂机械系统精确定位的影响外文翻译资料

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机械系统与信号处理

步进电机控制和摩擦模型对复杂机械系统精确定位的影响

Robert Konowrocki, Tomasz Szolc, Andrzej Pochanke,Agnieszka Pręgowska

a.波兰科学院基础技术研究所，ul. A. Pawińskiego 5B,华沙02-106，波兰

b.华沙理工大学电气工程学院，Pl. Politechniki 1,华沙00-661，波兰

1.介绍

目前机械、车辆、飞机的精密辅助驱动以及机器人设备和一些通常由电动机驱动的制造系统的快速发展，对其瞬态和稳态运行特性的认识需要越来越深入。除了实现可能的精确运动外，从工程的角度来看，定位时间短、电力消耗和系统运动元件所受的动态载荷等因素通常是最重要的因素。上述因素与过程的相互依赖性是驱动机械系统动态特性以及驱动电机输出特性和控制的结果。最近关于机械定位问题的论文，如[1-10]，指出了以下因素。

他们是:

-驱动电机的电气特性及控制策略，

-驱动机械系统的动力惯性-粘弹性特性，

-减缓与这些运动有关的主要摩擦力的特性。

值得强调的是，在大多数定位机电装置中，机械部分被简化为只有一个刚体，与整个系统的几何尺寸相比，通常受小位移的影响。此外，还使用了配有必要控制装置的简单直流或音圈电机作为电源。对于这些驱动电机，我们假设驱动力或驱动扭矩与输入电源电流成正比，如[1-3]。对于这样简单的机电系统[1-7]，关注的重点是设计合适的控制策略，以达到精确定位的可能效果。在[8-10]中，研究了摩擦力的影响及其建模方法对停前最终运动过程的影响。

步进电机是一种常用的动力源，通常用于驱动精密机械系统中选定元件的精确定位。如上所述，在这种系统中，定位的准确性不仅取决于驱动电机的电气特性和适当的控制，而且取决于被驱动对象的灵活性和动态特性。因此，由于柔性机械系统通常具有固有的振动能力，引起步进电机转子角速度的波动，电机绕组中的电流流动受到这些机械振动的影响。这导致由步进电机产生的驱动电磁转矩的附加可变元件。因此，电流振荡与被驱动物体的机械振动耦合。为了保证步进电机驱动的机械系统元件的精确定位，需要从理论和实验两方面深入研究机电部件之间的机电相互作用。

与多种电机合作的多个机械系统之间的动态相互作用问题一直是许多研究的课题，[5 - 7,11 - 16]。但这些通常集中于电机的建模，例如异步和同步电机或发电机以及直流和步进电机。这一领域的大部分研究都是使用或多或少先进的机电模型进行的，都与稳态工况有关，如[11-15]。在同步电机中，通常采用复转矩系数法来确定转子-定子电磁刚度和阻尼系数。这种方法的优点和缺点在[11]中进行了描述。在[12]中给出了复转矩系数法在多发电机驱动系统机电耦合振动分析中的实际应用。在[13]中确定了异步或同步电机与驱动系统的动态相互作用所产生的转子-定子电磁刚度和阻尼系数。本文采用二维有限元法对电机磁通量进行了建模，并采用简单的弹簧质量模型代替传动系。在[14]中确定了不同类型异步电动机与驱动机构动态相互作用产生的相似刚度和阻尼系数。

电路模型使我们能够描述步进电机，例如[5 - 7,15 - 17]。然而，被驱动的机械系统通常被简化为只有一个刚体，其质量惯性矩被加到电机转子的质量惯性矩上。步进电机的电气模型的基本原理可以在[15]中找到。[5-7]中研究的目的是控制步进电机的运行，以保持转子的精确角度定位。为此，在[5]中对电机及其控制器的电气参数的影响进行了详细的研究。在[6,7]中开发了各种步进电机控制器，而在[7]中考虑了电机的高谐波分量的电磁转矩来分析可能的谐振激励。在[16]和[17]中，对步进电机驱动与被驱动机械系统的动态相互作用进行了研究。在这些论文中，除了电单元的电路模型外，还分别以结构离散-连续模型和离散模型的形式考虑了机械系统的惯性-粘弹性特性。在[16]中，对步进电机与齿轮传动系统扭振结构模型相互作用的电路模型进行了较定性的分析。在这个力学模型中，考虑了所有必要的几何和材料参数。此外，对于瞬态和稳态工况的仿真实例，还进行了电-机械响应的定性谱分析。[17]和[16]采用步进电机的电压-频率控制。

本文研究了一种典型的两相混合式步进电机与现有的机械实验室皮带输送系统的动态相互作用。该系统是一种机器人装置，其特点是平移运动下的惯性工作工具载体。本工作的主要目的是研究步进电机电流控制参数以及各种机械摩擦模型对机器人设备精确定位的影响。还希望为工具载体的定位确定一个有效的方案。

2. 考虑对象和测量系统的描述

上述实验室的传送带系统，是模仿平移运动下惯性工作工具载体为特征的机器人装置，是我们研究的重点，如图1所示。刀座的平移运动是由半径0.1 m的两个滚轮上的齿形带实现的。这些滚子的轴线相隔4.375米。载具小车沿导轨直接移动，包括一根标称长度为3980 mm、截面面积为317 mm的Hepco单根施工梁。整个结构是由一个铝桁架框架倾斜而成，可以通过刚性板单元进行加固，以保持工作工具载体的水平移动，即在测试过程中没有任何明显的垂直偏差。这种机制是由双相步进电机FL110STH通过连接电机转子与左手托辊的轴段驱动，如图1所示。整个物体的示意图如图2所示。

该电机的转速可通过控制器USN-1D8A进行调节，并通过安装在驱动电机轴上的旋转编码器amt103进行监控。此外，该编码器使我们能够登记的距离所涵盖的移动工具-载体质量在测试期间。在实验测试过程中，放置在小车上的载具可以加速或减速5米/秒，使载具的最大质量速度为4米/秒。该试验台的全部参数见表1。

工具载体的平移运动由三轴加速度计PCB 356B18控制，采用旋转电容编码器amt103。加速度传感器安装在承载动刀架的小车上，利用巴特沃思滤波器测量动刀架在试验过程中的平移加速度。采用5阶滤波器特性，选取阈值为20hz的低通区域。巴特沃思滤波器近似函数的频率响应通常被称为“最大平坦”响应，因为它的频率响应在截止频率范围内在数学上尽可能平坦。因此，滤波器能够通过截止范围内的所有频率信号，同时衰减频率小于截止频率的信号。

在测试过程中，还可以记录步进电机绕组中电流的可变分量。为了做这样一个0.1Omega;的电阻与电阻连接,如图3所示。在这里，根据欧姆定律，注册电压通过这些电阻下降，并成为测量电流值在给定阶段的步进电机。为了防止步进电机绕组中的高电势，所记录的电压信号通过一组光耦传输到NI USB-6218模数转换器(本身与电机电源隔离)。在图1所示的试验台测量系统中，步进电机电源电路(加速度计电路和电容编码器电路)的两个信号都是通过上述采样频率为2ks /s的模数转换器记录下来的。

图1.由步进电机驱动的实验室皮带输送系统。

图2.实验室步进电机驱动皮带输送系统的设计方案。

表格1

加速度计和电容编码器由上述模数转换器记录，采样频率为2ks /s。

采用电容式编码器测量了动刀架的平动速度和电机转子的转速。编码器的高分辨率，每转2048个点，既适用于此类测量，也适用于记录驱动系统旋转元件的角速度波动。将此角速度转换为平移角速度时，可确定移动工具载体的平移速度。因此，通过平移速度的时间积分得到了载体所覆盖的距离。这使我们能够在编程的运动结束时定义运动工具载体的精确位置。

为了准确确定给定目标点上定位的工作刀架位置，使用了激光距离传感器Baumer-OADM 12I6430/S35A，该传感器在小于900 ms的时间内提供了0.01 mm的最大测量分辨率。由于激光传感器的测量范围在30-130 mm范围内，因此该传感器安装在编程工作刀运动结束阶段的定位目标点位置附近。由于传感器实现了无接触、无扰动的信号配准，不会降低试验台其余测量系统的精度。此外，在工作的工具载体的运动结束的平移位移登记，使我们能够消除任何测量误差。因此，通过电容式编码器信号转换，即不受带敏效应的影响，确定目标点位置。

应用实验室皮带输送系统使工作工具载体的精确定位成为可能。利用该装置，可通过适当的等平均加速度和减速运动以及分段的等平均平移速度来实现工装夹具的程序定位。

3.摩擦力和扭矩的模型

摩擦在机械系统的精确定位中起着非常重要的作用。一方面，层次越高在考虑物体的静摩擦和动摩擦时，必须施加更大的驱动力将机构加速到所需的速度范围。但另一方面，相对较高的摩擦力有助于减速该机械系统能够衰减与整个定位过程相关的所有瞬态振动。第三,在目标点之前的制动过程中，当速度接近于零时，动能/静摩擦使我们能够定位更精确和有效。理论模拟结果的可靠性取决于a的应用适当现实的摩擦模型为考虑的机械系统。因此，这样的模型应该能够准确地描述在预期的定位过程中，摩擦力大小在整个机械系统速度范围内，特别是在接近零的速度下，在最终停止之前。但是任何假设的摩擦模型都应该是从有效识别其参数的实验角度来看比较简单。因此，在机械方面在以滑动摩擦为主的系统中，库仑模型经常被应用，例如在[2]中，库仑模型的应用非常广泛提出了定位控制方法。然而，为精确定位的系统操作设计一个控制在接近于零的速度范围内，常采用较为复杂的滑动摩擦模型。在这些模型中，考虑了静摩擦向动摩擦的转变，以及动摩擦对电流滑动速度的依赖微滑移范围内相互滑移表面的粘弹性相互作用。这些分别是Dahl的，斯特里贝克和卢格雷模型[8-11]。

图3.步进电机绕组电流配准的电子电路方案。

在本文考虑的机械系统中，必须根据滚动轴承产生的减速力矩的常用模型，对所产生的摩擦效应进行适当的描述。在许多传统的发动机应用中，常轴承减速力矩被认为是足够的。然而，从SKF在[19]中推荐的指标来看，滚动单元轴承产生的总减速转矩由多个拖曳转矩组成。这些影响的程度很大程度上取决于给定轴承的设计、滚动元件和滚道的几何形状、滚道和滚动元件表面的三摩擦学特性、润滑特性、工作温度和施加的横向载荷。通常，这些是通过实验确定的，例如在[20]中。典型的减速扭矩如图4所示。这里根据[19,20]，滚动摩擦(灰色实线)由抛物线函数描述，滑动摩擦采用Stribeck方法(黑色虚线)，阻力损失与转速值呈线性关系(灰色虚线)。轴承减速转矩的合成特性被认为是这三个分量的代数和(一条灰色虚线)。

为了捕捉micro-slip效应在附近的新鲜感的轴承转速的影响以及轴承上的任何粗糙表面接触,制动转矩的合成特点可以appro

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