某型號轉(zhuǎn)臺速度過零點梯形脈沖補償優(yōu)化

賈錫龍

摘 要：針對某型號立式雙軸轉(zhuǎn)臺俯仰軸速度過零點時，出現(xiàn)位置跟蹤精度惡化的情況，設(shè)計了矩形、梯形兩種脈沖補償方式進(jìn)行補償優(yōu)化，其中梯形優(yōu)化方式獲得了較好的效果，可將位置跟蹤精度由0.008°提升至0.004°，增強了系統(tǒng)的跟蹤性能。該補償方案具有易于實現(xiàn)、不影響原有控制策略的特性。

關(guān)鍵詞：速度過零；摩擦力躍變；脈沖補償

中圖分類號： TN820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-135-2

1 問題概述

某型號立式雙軸轉(zhuǎn)臺采用PID加前饋的復(fù)合方式進(jìn)行伺服控制，由內(nèi)而外依次為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。

在進(jìn)行位置跟蹤精度模擬測試時，發(fā)現(xiàn)俯仰軸跟蹤精度在速度過零點存在誤差凹陷，極值為-0.008°，影響跟蹤精度提升，且通過PID參數(shù)重新整定和前饋系數(shù)調(diào)整無法緩解或消除該凹陷。誤差凹陷圖詳見圖1 （縱軸數(shù)值為誤差值，單位：度；橫軸數(shù)值為時間軸）。

2 原因分析

為便于分析，將位置數(shù)據(jù)差分獲取速度信息并與跟蹤精度數(shù)據(jù)一起生成圖2（其中系列1的縱軸數(shù)值為誤差值，單位：度；系列2的縱軸數(shù)值為速度值除以500，單位：度/秒）。觀察圖2，可發(fā)現(xiàn)在誤差凹陷產(chǎn)生期間，速度恰處于過零階段。經(jīng)分析，認(rèn)為造成誤差凹陷的主要原因有：

① 速度過零前期，轉(zhuǎn)動速度逐漸變緩，摩擦力逐漸增強，直至躍變?yōu)殪o摩擦力；

② 速度過零瞬間，轉(zhuǎn)動速度由正變負(fù)，俯仰軸轉(zhuǎn)動方向換向，相應(yīng)的靜摩擦力突然換向，產(chǎn)生摩擦力躍變，造成系統(tǒng)非線性；

③ 速度過零后的一段時間內(nèi)，摩擦力由靜摩擦力逐步轉(zhuǎn)換為動摩擦力，但由于速度較慢，摩擦力依舊較大，阻礙轉(zhuǎn)速有效提升，導(dǎo)致誤差較大；

④直流電機換向運轉(zhuǎn)，電樞電流換向延時（可等效為摩擦力影響進(jìn)行補償）。

3 解決方案選取

為了解決以上問題，一般有以下幾種方法：

力矩反饋法：即通過安裝高精度力矩傳感器，構(gòu)成力矩反饋環(huán)節(jié)，從而抑制摩擦力擾動，但該方法需加裝傳感器，不宜用于已設(shè)計好的轉(zhuǎn)臺。

高頻顫震法：即通過施加小幅度、高頻率信號的方式，抑制零速附近摩擦力非線性突變，但該方法會引入控制噪聲，故不推薦該方法。

基于LuGre等動態(tài)摩擦模型補償法：即通過構(gòu)建LuGre等動態(tài)摩擦模型的方式，完成對系統(tǒng)的實時補償，但該方法存在辨識參數(shù)眾多、辨識復(fù)雜的特點。

脈沖信號補償法：即采用較大幅度、短周期的脈沖信號，對系統(tǒng)過零點進(jìn)行補償，以消除摩擦力躍變引起系統(tǒng)的非線性[1]。

基于以上方法的特點和原控制結(jié)構(gòu)長期工作中的穩(wěn)定性考慮，選用脈沖信號控制法對過零點運動進(jìn)行脈沖補償?？紤]到實際使用中，每次過零點特性不同，將脈沖補償幅度與誤差量相關(guān)聯(lián)，以增強對不同過零情況的普適性。

4 矩形脈沖補償

矩形脈沖補償?shù)目刂撇呗詾椋簶?gòu)建速度過零位置反向運動（以下簡稱補償點）的監(jiān)測機構(gòu)，監(jiān)測到補償點時，開始進(jìn)行幅度為K的矩形脈沖補償，補償周期T后撤銷補償。經(jīng)試驗，T設(shè)為55個伺服周期時，通過調(diào)節(jié)K值，可將跟蹤精度提升至0.006°，詳見圖3。

但該補償方式存在局限性：當(dāng)K值取小時無法有效消除凹陷誤差極值（圖3中A點）；K值取大時A點誤差消除，但導(dǎo)致正向誤差超限（圖3中B點）；增大K值，縮減周期T，又造成撤銷補償后振蕩誤差增大（圖3中C點）。

5 梯形脈沖補償

根據(jù)矩形脈沖補償?shù)木窒扌院透┭鲚S速度過零點運動特性，設(shè)計梯形脈沖補償，設(shè)計思路為：

①當(dāng)監(jiān)測到補償點時，進(jìn)行高K值的矩形脈沖補償，以抑制A點誤差值；

②縮短矩形脈沖周期值（設(shè)為T1），抑制過補償造成的B點誤差；

③矩形脈沖補償完畢后，速度處于逐漸回升階段（仍舊較低），摩擦力逐漸減弱，此時進(jìn)行周期為T2的降斜率的三角形脈沖補償（峰值為K），逐步削弱補償量，可與摩擦力變化更好的匹配，同時可避免撤銷補償瞬間引起的誤差振蕩現(xiàn)象，削減C點誤差值。

經(jīng)試驗，梯形脈沖補償時T1設(shè)為20個伺服周期，T2設(shè)為60個伺服周期，K值整定為25時，跟蹤精度達(dá)到最優(yōu)，為0.004°，詳見圖4。同時對比圖3和圖4，可見采用梯形脈沖補償后，A點、B點及C點的誤差均被有效抑制。

6 總結(jié)

本文脈沖補償優(yōu)化構(gòu)建于位置環(huán)回路，以矩形脈沖補償為例，等效于位置環(huán)比例項P值條件性增加數(shù)值K；

當(dāng)條件在周期T內(nèi)連續(xù)觸發(fā)時，等效于比例項P值恒定增加數(shù)值K。故補償后不影響系統(tǒng)原有控制策略且易于實現(xiàn)。

本文采用矩形、梯形兩種脈沖補償方式分別對速度過零點進(jìn)行了優(yōu)化，并分析了兩種脈沖補償方式的結(jié)果。其中梯形脈沖補償具有更高的靈活性和可調(diào)節(jié)性，能有效抑制速度過零點時系統(tǒng)非線性并可平緩?fù)顺鲅a償。采用梯形補償后，跟蹤精度由0.008°提升至0.004°。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王蘊恒，王吉元，卜樹坡.飛輪轉(zhuǎn)速過零時衛(wèi)星姿態(tài)的補償控制研究[J].計算機仿真，2009，8：019.