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伺服控制中的摩擦补偿是什么?

通过丹尼尔•柯林斯|2021年1月19日

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摩擦力是两个物体之间相对运动的阻力,在所有的滑动和滚动运动中都会发生。在使用润滑分离滚动或滑动表面—例如轴承和齿轮—通常有两种类型的摩擦:静摩擦和动摩擦。

静态摩擦——也被称为“粘滞”——是在运动开始时发生的摩擦,因为两个表面之间的纽带被打破,润滑层开始形成。一旦开始相对运动并建立润滑层,就会发生动态摩擦。静态和动态摩擦有时被称为“库仑摩擦”(库仑摩擦是以法国工程师和物理学家,Charles-Augustin德库仑).一旦润滑层充分形成,摩擦与表面的相对速度成正比,称为粘性摩擦或流体摩擦。

静摩擦力
静摩擦或静止防止物体移动直到施加的力(或扭矩,在旋转物体的情况下)超过静态摩擦力。

了解运动控制组件中存在的摩擦类型很重要,因为摩擦对调谐伺服系统构成了特别挑战。当系统经历零速度交叉时发生静态摩擦(当系统开始从静止或发生方向的变化时)尤其有问题,因为它可能导致系统过冲其预测其预期位置,速度或扭矩然后振荡作为摩擦力下降,并且系统寻找设定点。在最坏的情况下,静态摩擦可以完全防止运动。

理论上,静摩擦可以通过增大伺服控制回路的增益-特别是比例增益和/或积分增益。然而,这将需要过高的增益,并导致不稳定一旦运动开始,摩擦从静态过渡到动态。

为了解决摩擦引起的问题,伺服控制器通常包括摩擦补偿功能,在适当的数量和适当的时间产生扭矩(或力),以克服摩擦力而不造成不稳定。

摩擦补偿
摩擦补偿大大提高了位置跟踪误差。
图像信用:施耐德电气

一种摩擦补偿方法是一种类型前馈控制.最常见的前馈补偿摩擦-特别是静态摩擦-是添加一个速度依赖的前馈控制到当前命令。这增加了发送到电机的电流,因此电机产生了足够的扭矩来克服高启动(静摩擦)。

摩擦补偿
通过在电机电流中添加速度依赖的前馈控制,可以在不引起振荡或不稳定的情况下减少静摩擦引起的跟踪误差。
图片来源:Beckhoff

前馈增益是估计来自控制算法的理想输出的控制动作,预测实现零误差所需的命令,并将这些命令作为辅助信号注入到控制回路中。


然而,由于摩擦力下降——在许多情况下显著下降——一旦运动开始,摩擦补偿窗口“(罗克韦尔自动化使用的术语)也可以定义。此参数根据定位误差的量或轴的速度,指定应用摩擦补偿的何时何种程度。换句话说,摩擦补偿窗口确保添加的扭矩足以用于摩擦的类型(静态或动态),系统在任何给定的时间点遇到系统。

摩擦补偿
该图表演示了一种类型的摩擦补偿窗口。当轴速度位于指定限制之间时,摩擦补偿电流与速度成比例,以解决静态摩擦。对于高于或低于这些限制的速度,摩擦补偿电流是恒定的,以解决动态摩擦。
图像信用:Kollmorgen

在大多数伺服控制器中提供摩擦补偿,并且通常在自动调谐算法中实现。虽然对于几乎任何具有高静态摩擦的系统是有用的,但摩擦补偿最常用于需要非常准确的路径之后的应用,例如协调的运动和轮廓轮廓。


提交:运动控制技巧


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