第12卷第5期2008年9月电机与控制学报ELECTRICMACHINESANDCONTROLVol112No15Sep.2008高性能机械伺服系统运动控制技术综述刘强(华侨大学机电及自动化学院,福建泉州362021)摘要:高性能机械伺服系统广泛应用于民用及军事工业领域,其性能的改善可以提高设备的生产能力和产品质量。回顾了高性能运动控制技术的发展历程,归纳出高性能运动控制器的基本设计思想;总结了近年来在前馈跟踪控制、闭环控制以及摩擦补偿技术方面的主要研究成果;最后讨论了该领域尚待解决的问题。关键词:运动控制;摩擦;前馈;伺服系统;高性能中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1007-449X(2008)05-0603-07SurveyonmotioncontroltechnologiesofhighperformancemechanicalservosystemsLIUQiang(CollegeofMechanicalElectronicandAutomation,HuaqiaoUniversity,Quanzhou362011,China)Abstract:Highperformancemechanicalservosystemsarewidelyusedincivilandmilitaryindustries,andforthesesystems,theperformanceimprovementoftheservocontrollercanincreaseproductivityandproductquality.Thedevelopmentofhighperformancemotioncontroltheoryisreviewed,andthebasicdesignprinciplesofservocontrollersaresummarized;Contributionsfromdigitalfeedforwardtrackingcon2trolscheme,closedloopcontrollerdesignandfrictioncompensationmethodaresurveyed.Finally,sever2alproblemswhichrequirefurtherinvestigationofhighperformancemotioncontrolarediscussed.Keywords:motioncontrol;friction;feedforward;servosystem;highperformance收稿日期:2007-09-28基金项目:福建省自然科学基金项目(E0510023);福建省高等学校新世纪优秀人才计划资助项目作者简介:刘强(1972-),男,副教授,主要研究方向为鲁棒控制、自适应控制、高性能伺服控制理论及应用。1引言随着现代科技的进步和工业的发展,人类对于机械伺服系统性能要求越来越高,如静态定位精度指标,对旋转类伺服系统,已经达到角秒数量级,对于直线运动机械,达到纳米数量级,此外还有两个重要的性能指标是跟踪频带和低速性能。文献中对高性能伺服系统的提法并不统一,有“highperform2ance”和“highprecision”两个词,虽然有些文献采用“highprecision”一词作修饰语,但其实际含义已经不仅仅是静态性能要求。高性能机械伺服系统运动控制理论是一个重要研究领域,其发展直接影响并带动其他一些工业应用领域[1]:①半导体加工领域,如显微镜XY校正、激光直写技术及晶片探测技术等;②磁(光)存储介质加工领域,如磁头加工、光盘定位控制及精密磨削切分技术等;③光学仪器加工领域,如光学镜头金刚石磨削机、光学磨床、码盘和光栅刻线机及钻石快速切削机等;④武器仿真领域,如飞行仿真转台、加速度实验台及负载模拟器等;⑤其他,如绘图机、坐标测量机及视觉光学校正系统等。高性能伺服系统驱动部件包括各类电机,如直流电机,无刷电机,永磁同步电机,直线电机等;直流电机通常采用脉冲调宽(PWM)型驱动器,交流永磁同步电机采用基于磁场定向控制技术的驱动器;位置反馈元件一般具有很高的精度,主要有光(栅)码盘,光栅尺,感应同步器等;速率测量元件主要采用测速发电机,由于其精度低且存在纹波,使用日益减少;运动控制器硬件一般采用DSP、工业PC及各类微处理器,控制算法以软件形式实现。尽管伺服系统具有不同的配置,但都可以采用微分方程表示为(以旋转机械伺服系统为例)Jθ¨+B�θ=u-Tf-Td。(1)其中,J为等效转动惯量;B为等效阻尼系数;u为控制器输出;Tf为等效非线性摩擦扰动力矩;Td为除摩擦扰动外其他所有外部扰动之和,以及未建模动态和建模误差。从近年来该领域的发展趋势来看,采用鲁棒双环结构的运动控制器已成为研究热点,并形成了3个主要研究领域,即前馈跟踪控制、闭环控制策略和摩擦补偿技术。这种“模块化”的发展趋势,有利于将控制问题分解到不同领域,分别加以解决。基于鲁棒双环结构的运动控制器如图1所示。闭环控制器由内环控制器和外环控制器组成,其作用是保证系统的稳定性和对外干扰及参数变化的鲁棒性,使闭环系统响应和参考模型接近;前馈环节用来实现跟踪性能。采用复合控制结构的优点是...
