[发明专利]基于时间库伦摩擦模型的伺服系统摩擦补偿方法

说明书

技术领域

发明涉及一种基于时间库伦摩擦模型的伺服系统摩擦补偿方法。

背景技术

摩擦力是伺服系统控制过程中一个重要的干扰因素，特别在低速情况下，摩擦的存在可能导致转速过零点的死区、爬行现象等。目前主要采用的摩擦补偿的方式分为两大类，一种是非摩擦模型方式，它将摩擦力的变化视为扰动信号，从提高系统鲁棒性和抗干扰能力的角度来设计控制器，能够有效减少摩擦带来的影响，但不能从本质上补偿伺服系统摩擦力。另一种是依赖摩擦模型的补偿方式，即先建立摩擦力随速度变化的模型，如库伦摩擦模型、粘性模型、Stribeck模型以及LuGre模型。然后根据测量的位置、速度等数据观测摩擦力的大小，从而在控制器中加入补偿信号抵消摩擦力。依赖模型的补偿方式需要精确的摩擦模型，并且随着伺服系统工作时间的增加，模型参数可能发生变化。因此出现了一些自适应摩擦补偿方案，在线辨识模型参数，但是大大增加了算法的复杂程度和计算量。

发明内容

本发明提出一种基于时间库伦摩擦模型的伺服系统摩擦补偿方法，能够有效克服摩擦力对伺服系统的影响。

本发明所采用的技术如下：一种基于时间库伦摩擦模型的伺服系统摩擦补偿方法，如下：

(1)首先建立摩擦力随时间变化的库伦摩擦模型，其表达式为：F＝Fc*sgn(V)；测出电机转动时受到的摩擦力Fc，对应的控制器输出即为摩擦补偿器的最大补偿值Umax；

(2)估计临界转速V0的值，将电机转速从-V0到+V0这段时间近似作为补偿的时间段t1～t2，其中V0值的选择与伺服系统设备有关，通过实验调试来确定V0的值；

(3)测量电机的转速V，如果V＞＝V0，说明电机正向运行，受到反向恒定摩擦阻力的影响，摩擦补偿值＝+Fc，对应的控制器补偿输出U(n)＝Umax；

(4)如果转速V＜＝-V0，说明电机反向运行，受到正向恒定摩擦阻力的影响，摩擦补偿值＝-Fc，对应的控制器补偿输出U(n)＝-Umax；

(5)如果转速-V0＜V＜+V0，则根据给定输入值的变化来判断摩擦补偿值的增减，若给定转速增加，说明此时电机转速由负到正变化，相应的摩擦补偿值应该逐渐增加，U(n)＝U(n-1)+Δu；若给定转速减少，说明此时电机转速由正到负变化，相应的摩擦补偿值应该递减，U(n)＝U(n-1)-Δu；

(6)每隔固定时间重复(3)～(5)的步骤。

本发明还具有如下技术特征：如上步骤(2)通过实验调试来确定V0的值，方法是不断调整V0和补偿值增量Δu的大小，使得当补偿时间结束后，补偿值接近于+Umax或者-Umax，保证摩擦补偿值是连续变化的。

本发明的优点及有益效果：

(1)用时间上的库伦模型代替原有的库伦模型，使得模型结构由不连续的变成连续变化的，提高了控制的平稳性，避免了由于控制器输出突变发生的抖动现象。

(2)有效的克服了摩擦力对伺服系统的影响，即使在系统参数发生较小变化或者存在测量误差的情况下，该摩擦补偿方法依然能够有效减少摩擦力的影响。

(3)提出的方法简单，易于实现，避免了复杂的控制算法和摩擦参数的计算，大大减少了程序的数据处理量。

附图说明

图1为库伦摩擦模型图；

图2为时间库伦摩擦模型图；

图3为转速补偿流程图；

图4为不确定性影响补偿误差曲线图；

图5为伺服系统结构图；

图6为试验电机伺服系统结构图；

图7为采用PID控制器的转速曲线图；

图8为采用PID+时间摩擦补偿的转速曲线图。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：

实施例1

1、时间库伦摩擦模型的提出

摩擦的时间模型可以由摩擦的速度模型得到的，为了简单起见，以库伦摩擦模型为例，建立时间库伦摩擦模型，分析这种补偿方法的理论依据。

如图1所示，库伦摩擦模型是最简单的一种模型，其表达式为：F＝Fc*sgn(V)，库伦模型认为物体运动中摩擦力的大小保持不变。而实际上摩擦力是随速度发生变化的，因而库伦摩擦模型与实际摩擦力的偏差也是最大的。它的优点是表达式比较简单，并且能够体现出转速过零时摩擦力从-Fc到+Fc的变化，这也是伺服系统需要克服的主要干扰因素。因此为了简单起见，采用库伦模型来研究过零点的摩擦补偿。