CN117353616B - 直线电机的摩擦力前馈补偿方法及系统、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直线电机摩擦力补偿领域，具体公开了一种直线电机的摩擦力前馈补偿方法及系统、存储介质，所述方法包括以下步骤：通过驱动器构建速度闭环，截取匀速段的电流曲线计算得到平均电流值I₀；设定参考速度区间及非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值，与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环。该方案只需要进行一次普通的速度闭环测试，得到匀速段的电流，取均值为补偿基准电流，提升系统的低速响应和稳定性，保证用户使用精密运动平台能够达低速运行时的快速响应。

Description

直线电机的摩擦力前馈补偿方法及系统、存储介质

技术领域

本发明涉及直线电机摩擦力补偿领域，具体地涉及一种直线电机的摩擦力前馈补偿方法及系统、存储介质。

背景技术

XY轴定位平台及伺服系统实现的定位精度越高，能够应用的领域就越精密。传统定位平台使用“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的技术方案，由于存在机械转换，存在天然的精度和速度缺陷，长时间运行磨损更会导致精度下降，难以满足高端市场需求。而直线电机能够直接提供高速的自动线性运动，其定位精度高、最大速度可达6m/s，最大加速度10g，响应速度快，长时间运行无磨损，结构简单维护方便。因此采用直线电机设计的XY轴定位平台能够实现更高的定位精度和更快的运动性能，是当前高速高精领域的研究热点和首选方案。

但是值得注意的是，在一些高精尖定位和运动产品里面，一般要求直线导轨的滑块为中或者重预压，而预压较重会带来导轨滑块摩擦力增大。摩擦力由于与速度方向相反，因此在一些需求低速扫描、切割、插补轨迹运行的直线电机精密运动平台里面，摩擦力在速度过零时的方向突变特性会引起速度换号后的低速下速度响应慢，且运行出来的轨迹出现明显畸变。那么摩擦力补偿在重预压和重载的精密运动平台上显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提供一种直线电机的摩擦力前馈补偿方法及系统、存储介质，能够直接对低速下的摩擦力进行自适应前馈补偿，使得速度误差进行快速响应。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种直线电机的摩擦力前馈补偿方法，包括以下步骤：

通过驱动器构建速度闭环，截取匀速段的电流曲线计算得到平均电流值I₀；

设定参考速度区间及非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值，与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环。

优选地，当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|≤V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

其中，Iqf为补偿电流值，sign()为符号函数，V_r为设定速度，Ev为设定速度与实际速度的误差，α为调节因子。

优选地，当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|>V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

其中，Iqf为补偿电流值，sign()为符号函数，V_r为设定速度，Ev为设定速度与实际速度的误差，α为调节因子。

优选地，0<α<1。

优选地，Iqf≤I₀。

本发明第二方面提供一种一种直线电机的摩擦力前馈补偿系统，包括：

平均电流获取模块，用于通过驱动器构建速度闭环，截取匀速段的电流曲线计算得到平均电流值I₀；

补偿模块，用于设定参考速度区间及非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值，与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环。

优选地，当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|≤V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

其中，Iqf为补偿电流值，sign()为符号函数，V_r为设定速度，Ev为设定速度与实际速度的误差，α为调节因子。

优选地，当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|>V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

其中，Iqf为补偿电流值，sign()为符号函数，V_r为设定速度，Ev为设定速度与实际速度的误差，α为调节因子。

优选地，0<α<1，Iqf≤I₀。

本发明第三方面提供一种计算机存储介质，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现上述直线电机的摩擦力前馈补偿方法的步骤。

通过上述技术方案，对于一些要求低速运行且存在运动反向的精密运动平台，提供了一种快速的摩擦力补偿提升速度响应的方法和装置，通过辨识的低速下摩擦力对应的电流数值进和运行速度误差确定需要补偿的电流值，结合PID控制器输出的电流叠加控制进行前馈摩擦力补偿，提升系统的低速响应和稳定性，保证用户使用精密运动平台能够达低速运行时的快速响应，保证用户按照设定轨迹进行加工制造。

附图说明

图1是本发明实施例基于直线电机控制框图的前馈补偿原理图；

图2是本发明实施例补偿函数f的网格化示意图；

图3是本发明实施例有、无摩擦力补偿的正弦速度相应曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

针对精密运动平台直线电机在低速运行过零换向时，摩擦力变化导致的速度响应跟踪慢，进而导致的运行误差问题，本发明实施例第一方面提供一种直线电机的摩擦力前馈补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过驱动器构建速度闭环，截取匀速段的电流曲线计算得到平均电流值I₀；

使用驱动器构建速度闭环，以某一低速V₀ 运行，速度一般小于10mm/s，设计平均算法截取匀速段的电流曲线，统计计算得到平均电流值I₀。此时理论上的摩擦力F₀对应的值为F₀=-K_f*I₀，其中K_f为直线电机的推力常数。

S2、设定参考速度区间及非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，V_r0可根据测试时，设定V_r0速度响应较慢的阈值来设置，取决于实际平台的低速响应情况，根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值，与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环。

考虑摩擦力换向的特性，对于一些要求低速运行且存在运动反向的精密运动平台，本发明提供了一种快速的摩擦力补偿提升速度响应的方案，通过辨识的低速下摩擦力对应的电流数值进和运行速度误差确定需要补偿的电流值，结合PID控制器输出的电流叠加控制进行前馈摩擦力补偿，只需要进行一次普通的速度闭环测试，得到匀速段的电流，取均值为补偿基准电流，提升系统的低速响应和稳定性，保证用户使用精密运动平台能够达低速运行时的快速响应，保证用户按照设定轨迹进行加工制造。

传统的摩擦力补偿技术通常需要充分考虑库伦摩擦力模型和不同速度下的摩擦力建模，然后根据上述模型进行多变量的补偿，实现较为复杂，且在软件上需要更多的存储内存。

针对传统技术存在的问题，进一步地，步骤S2中所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀ （1）

（2）

其中，Iqf为补偿电流值，sign()为符号函数，V_r为设定速度，Ev为设定速度与实际速度的误差，α为调节因子。设置参考速度V_r需要进行非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，一般地该值设置的较小，且一般V_r大于该值时，主要由控制器产生电流控制量进行控制，V_r小于该值时，由于控制器可能得到的误差较小，会导致控制器存在极限环无法快速响应，那么前馈Iqf就能起到较大作用，提升响应速度。α为调节因子，一般为了加快低速下相应可设置0<α<1，优选地α=0.5。

传统的摩擦力需要充分考虑库伦摩擦力模型和不同速度下的摩擦力建模，然后根据上述模型进行多变量的补偿，实现更为复杂，而本发明技术方案采用一个非线性自适应函数f(Ev,V_r,α,V_r0)，能够直接对低速下的摩擦力进行自适应补偿补偿，前馈补偿只需要一个函数以及简单的逻辑判断关系即可带来很好的补偿效果，相较于其他专利需要做大量的辨识并存储补偿值，节约了存储资源，使得速度误差进行快速响应。

如图1所示，虚线框为所设计的补偿策略，步骤S2中，补偿电流值与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环。示例性地，设置Ev=[-2,2]区间，V_r设定在[-2,2]区间，V_r0=1，α=0.5，可以得到f(Ev,V_r,α,V_r0)函数关于Ev,V_r的数值绘制的网格图如图2所示。从图中可以看出在V_r设置过零点且数值较小时，补偿数值会随着切换出现一个较大的反向补偿值，同时当V_r逐渐增大后，补偿数值逐渐减弱，完美契合了低速过零点运行时摩檫力换向的特性，实际测试能够很好的进行摩檫力补偿。

实际测试例结果如图3所示，设定正弦参考速度曲线，如图3的（a）部分所示的未使用补偿的速度相应曲线跟踪效果明显不如图3的（b）部分所示的补偿后的速度相应曲线。补偿后速度响应更快，获得了如图3的（c）部分所示的结果，补偿后的位置误差曲线明显小于未补偿的曲线。

综上所述，对于一些要求低速运行且存在运动反向的精密运动平台，本发明技术方案提供了一种快速的摩擦力补偿提升速度响应的方法和装置，通过辨识的低速下摩擦力对应的电流数值进和运行速度误差确定需要补偿的电流值，结合PID控制器输出的电流叠加控制进行前馈摩擦力补偿，只需要进行一次普通的速度闭环测试，得到匀速段的电流，取均值为补偿基准电流，提升系统的低速响应和稳定性，保证用户使用精密运动平台能够达低速运行时的快速响应，保证用户按照设定轨迹进行加工制造。同时，传统的摩擦力需要充分考虑库伦摩擦力模型和不同速度下的摩擦力建模，然后根据上述模型进行多变量的补偿，实现更为复杂，而本发明技术方案采用一个非线性自适应函数f(Ev,V_r,α,V_r0)，能够直接对低速下的摩擦力进行自适应补偿补偿，前馈补偿只需要一个函数以及简单的逻辑判断关系即可带来很好的补偿效果，相较于其他专利需要做大量的辨识并存储补偿值，节约了存储资源，使得速度误差进行快速响应。

基于同一发明构思，本发明实施例第二方面提供一种直线电机的摩擦力前馈补偿系统，包括：

平均电流获取模块，用于通过驱动器构建速度闭环，截取匀速段的电流曲线计算得到平均电流值I₀；

补偿模块，用于设定参考速度区间及非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值，与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环。

本发明实施例第三方面提供一种计算机存储介质，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现上述直线电机的摩擦力前馈补偿方法的步骤。

值得注意的是，本发明直线电机的摩擦力前馈补偿不依赖于控制策略，图1所示的系统框图为一般的PID三环控制框图，使用其他控制算法结合本前馈方案仍认为是该方案的扩展。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种直线电机的摩擦力前馈补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过驱动器构建速度闭环，截取匀速段的电流曲线计算得到平均电流值I₀；

设定参考速度区间及非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值，与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环；当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|≤V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|>V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

其中，Iqf为补偿电流值，sign()为符号函数，V_r为设定速度，Ev为设定速度与实际速度的误差，α为调节因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，0<α<1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，Iqf≤I₀。

4.一种直线电机的摩擦力前馈补偿系统，其特征在于，包括：

平均电流获取模块，用于通过驱动器构建速度闭环，截取匀速段的电流曲线计算得到平均电流值I₀；

补偿模块，用于设定参考速度区间及非线性摩檫力补偿的阈值V_r0，根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值，与PID控制器输出的电流控制指令叠加，获得补偿后电流控制指令输入电流环；当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|≤V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

当参考速度区间内的设定速度绝对值|V_r|>V_r0时，所述根据I₀、V_r与实际速度的误差以及V_r0计算需要的补偿电流值公式如下：

Iqf=f(Ev,V_r,α,V_r0)*I₀；

，

其中，Iqf为补偿电流值，sign()为符号函数，V_r为设定速度，Ev为设定速度与实际速度的误差，α为调节因子。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，0<α<1，Iqf≤I₀。

6.一种计算机存储介质，其特征在于，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现如权利要求1-3中任一所述的方法的步骤。