代文昭，尚俊云，曹 寬，李 彪

(中國航天科技集團第十六研究所，西安710100)

0 引 言

機電一體化的伺服作動系統(tǒng)因其穩(wěn)定、方便、靈活、準確而且快速的特點而廣泛應用在航空航天[1]、工業(yè)機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。在伺服作動系統(tǒng)中，驅(qū)動電機與負載之間往往需要采用減速機構(gòu)傳動以實現(xiàn)速度變換匹配和輸出力矩調(diào)節(jié)，這就不可避免地帶來了傳動間隙[2]。間隙保障了變速傳動的可靠進行，但間隙的存在會引起系統(tǒng)響應延遲、機械諧振、極限環(huán)振蕩、精度下降等問題，同時使用過程中的磨損會使間隙進一步增大，以至于會加劇其對系統(tǒng)性能的負面影響。因此，研究間隙影響的機理，并采取合適的補償策略盡可能地減弱乃至消除間隙對系統(tǒng)帶來的不利影響，具有重要的理論和工程意義。

本文通過對相關(guān)文獻的查閱，首先對間隙的影響進行了論述，為建模、補償策略的相關(guān)研究提供方向，隨后對間隙模型展開介紹，間隙的建模是對系統(tǒng)模型的進一步完善，也是實施基于模型的間隙補償策略的理論基礎(chǔ)，最后，介紹了針對間隙影響的補償策略，包括機械方法與控制方法兩大類，以方便對比研究并為解決間隙問題提供借鑒。

1 間隙的影響

間隙廣泛存在于機械傳動中未直接連接的驅(qū)動部分與從動部分之間，間隙的存在會造成動力延遲影響傳動質(zhì)量，使系統(tǒng)性能明顯降低并且容易變得不穩(wěn)定，當傳動裝置剛度有限引發(fā)機械諧振時，間隙會進一步加劇機械諧振；同時，傳動間隙會造成系統(tǒng)動態(tài)響應過程中的嚙合沖擊、響應超調(diào)，并產(chǎn)生噪聲、加速產(chǎn)品的失效報廢；而對于航空航天、武器伺服系統(tǒng)等需要實現(xiàn)高性能控制的場合，間隙引起的極限環(huán)振蕩[3]不僅造成定位精度的下降、系統(tǒng)抖動與功耗增大，而且會引起結(jié)構(gòu)磨損，影響系統(tǒng)壽命，間隙的影響示意圖如圖1所示。種種現(xiàn)象表明間隙成為影響伺服作動系統(tǒng)動態(tài)性能與控制精度的關(guān)鍵因素，也是高精密電作動系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸。因此，在作動系統(tǒng)的研究與機構(gòu)的設(shè)計中，間隙的影響必須引起足夠的重視并采取適當?shù)牟呗匀p弱乃至消除其負面影響。

圖1 間隙影響示意圖

2 間隙模型

間隙模型是間隙研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)和重點，隨著系統(tǒng)技術(shù)要求的不斷提高和對間隙研究的深入，間隙建模對實際系統(tǒng)中間隙的各種特性考慮的越來越全面，對整個伺服系統(tǒng)特性認知也隨之不斷深入，在此基礎(chǔ)上可以更準確分析實際問題，尋找實現(xiàn)系統(tǒng)高性能的解決方案。目前主要的間隙模型有遲滯模型和死區(qū)模型，下面對這兩種基本模型展開介紹：

2.1 遲滯模型

在需要可逆運動的傳動機構(gòu)中，間隙的影響表現(xiàn)為每次運動起始階段的傳動延遲，以及反向運動時的回差，于是傳動裝置的輸出位移與輸入位移之間的關(guān)系就形成了具有滯環(huán)形的非線性關(guān)系。這種非線性關(guān)系可用如圖2的遲滯模型[4]表示。

圖2 間隙的遲滯模型

其動態(tài)方程可表示為

(1)

式中,θm為驅(qū)動系統(tǒng)輸出位移；θd為從動系統(tǒng)輸出位移；i為傳動系統(tǒng)的傳動比；2j為間隙寬度；i-、i+為分別表示控制或者過程發(fā)生的前后時刻。遲滯模型也可以以速度的形式表示為

(2)

間隙遲滯模型的性質(zhì)表現(xiàn)為在間隙期間時，傳動系統(tǒng)從動部分輸出不受主動部分的影響。從模型的特征可以看出，該模型的主要參數(shù)是間隙的大小，當傳動間隙較大并成為突出因素時，采用這種模型分析伺服系統(tǒng)位置響應特性是比較有針對性的，尤其是間隙大小容易測量時采取該模型更為方便。

2.2 死區(qū)模型

間隙的死區(qū)模型[5-6]在作動系統(tǒng)性能分析中被廣泛地應用，其模型示意圖如圖3所示。

圖3 間隙的死區(qū)模型

死區(qū)模型橫軸是主從部件間的位置偏差，縱軸是力矩。死區(qū)模型不僅體現(xiàn)了輸入子系統(tǒng)與輸出子系統(tǒng)之間的力矩傳遞關(guān)系，同時也包含了傳動機構(gòu)剛性和阻尼對傳動特性的影響。

其動態(tài)方程可表示為

(3)

其中z=θm(t)-iθd(t)。

式中，k為剛度系數(shù)；c為阻尼系數(shù)；為傳動力矩。

當系統(tǒng)阻尼相對剛度非常小，可以忽略不計時，模型可以簡化為

(4)

針對在實施間隙補償控制策略時要求間隙模型可微的要求，對死區(qū)模型進行改進，在已知引入有界誤差的前提下可以將不可微的死區(qū)模型近似化處理為如圖4所示模型：

圖4 間隙的近似可微死區(qū)模型

死區(qū)模型的特點是符合人們對存在間隙時，力矩傳輸過程的認知，兼顧了間隙非線性的死區(qū)效應、嚙合剛度和阻尼的影響，在模型簡化后相對簡單，并且在將間隙死區(qū)模型近似化處理之后，可以進而得到相對完善易于分析的系統(tǒng)模型，促進了針對間隙影響的補償控制策略的研究。

2.3 小結(jié)

綜上對間隙模型的介紹，兩種模型各有其優(yōu)點與側(cè)重點。遲滯模型重點描述的是間隙作用時導致的輸出相對輸入的停滯，引起傳動過程中主從部分位置的差異與滯后；死區(qū)模型對間隙的描述比較接近實際系統(tǒng)，著重描述了間隙對力矩傳輸?shù)挠绊?，同時還包含了嚙合剛度、阻尼等信息，易于理解并具有一定的簡潔性，便于分析間隙對系統(tǒng)控制性能的影響以及控制策略有效性的研究。

3 間隙補償方法

目前對于減弱或消除間隙對伺服作動系統(tǒng)精度影響的研究主要有兩種方向：一是從機械方案的角度出發(fā)通過合適的消隙結(jié)構(gòu)或者采用合適的傳動方案來消除間隙，二是從控制策略的角度出發(fā)，針對含有間隙的伺服作動系統(tǒng)，研究改進和提高閉環(huán)系統(tǒng)性能的控制方法。

3.1 機械方案抑制間隙非線性影響

(1)彈簧加載雙片齒輪消隙

通過機械結(jié)構(gòu)去消隙主要是通過裝配調(diào)整或者加入合適的消隙機構(gòu)去減小間隙。其中機構(gòu)消隙的方法以彈簧加載雙片齒輪消隙為代表，該方法主要是使用彈簧連接在一起的兩片齒輪同時嚙合在配對齒輪上，其中一片齒輪與軸固定，另一片齒輪為空套在軸上的浮動齒輪片。當齒輪轉(zhuǎn)動時，嚙合齒與工作齒面間的間隙被彈簧拉緊的另一片浮動齒輪輪齒所填滿，這種結(jié)構(gòu)被廣泛應用在齒輪傳動副的消隙上，以此來減弱正反向的嚙合間隙及回程誤差。但是采用這種機械結(jié)構(gòu)要想獲得較好的消隙結(jié)果，對其加工精度和裝配精度的要求都比較高，成本也會隨之升高。

(2)雙電機消隙

通過傳動方案去消隙的典型應用是雙電機消隙，其原理圖如圖5，用兩組完全相同的電機通過各自連接的小齒輪分別與負載端的大齒輪嚙合，其本質(zhì)是在系統(tǒng)啟?；驌Q向時，通過控制兩電機產(chǎn)生一個偏置力矩，保證兩個小齒輪始終至少有一個與末級齒輪緊密嚙合，使大齒輪無法在齒隙中運動，以達到消隙的目的[7]。這種方法能很好的消除間隙帶來的不利影響，而且也能避免間隙過程中從動部分的不受控狀態(tài)，在工程上應用比較廣泛且效果良好。但是此方案也隨之帶來新的問題，如增加了系統(tǒng)重量、復雜度和能源消耗，同時雙驅(qū)動系統(tǒng)還帶來驅(qū)動電機間同步協(xié)調(diào)的問題。

圖5 雙電機消隙原理圖

采用消隙機構(gòu)或者雙鏈傳動消隙的方案在工程上有其獨有的作用與優(yōu)勢，但往往又增加了系統(tǒng)復雜度，使得設(shè)計制造成本升高。因此，針對間隙對系統(tǒng)性能的影響，在機械傳動結(jié)構(gòu)消隙方法外的，基于控制理論的方法獲得了廣泛的研究。良好的控制補償策略能夠大大減輕對機械結(jié)構(gòu)的依賴，進而簡化伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.2 從控制角度抑制間隙非線性影響

隨著間隙成為影響伺服系統(tǒng)實現(xiàn)高性能的突出因素，含間隙伺服系統(tǒng)的補償控制策略成為近些年的研究熱點，下面就其補償方法展開介紹。

(1)逆模型補償法

間隙逆模型補償?shù)乃枷胧菍㈤g隙模型作為逆補償?shù)膶ο?，通過在控制信號中引入模型逆來抵消間隙非線性的影響使被控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為偽線性系統(tǒng)，之后再根據(jù)實際施加各種策略來控制系統(tǒng)，逆模型補償示意圖如圖6所示。文獻[8]加入間隙遲滯逆模型補償算法后使間隙引起的“平頂”現(xiàn)象消失，相位滯后得到很大改善。由于經(jīng)典的間隙死區(qū)模型呈現(xiàn)不可微的特性，在控制過程中易出現(xiàn)“抖動”現(xiàn)象，給控制器設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)，所以一些研究人員使用間隙近似可微死區(qū)逆模型[9]進行補償，這種方法雖然引入了有界誤差，但降低了控制設(shè)計的復雜性，方便了控制策略的實施，增強了實用性。

圖6 逆模型補償示意圖

(2)基于切換控制的補償方法

切換控制的思路是考慮碰撞擾動影響情況下在間隙階段和嚙合階段分別采取不同的控制策略以減小間隙過程并使嚙合傳動達到預期的控制指標，切換控制示意圖如圖7所示。

圖7 切換控制示意圖

在間隙階段，控制目標是使驅(qū)動部分盡可能快的通過間隙，但考慮到主從部分過高的速度差異而導致更惡劣的沖擊，所以理想的運動過程為一個合適的加減速過程，即先通過強作用使驅(qū)動系統(tǒng)快速通過大部分的間隙過程，隨后在適當時刻切換控制策略使主從部分接觸時相對速度盡可能接近零以期減弱沖擊的不良影響。文獻[10]在齒隙期間采用時間最優(yōu)控制以期實現(xiàn)最小齒隙時間和無振蕩接觸，仿真和實驗驗證該方法可以有效抑制齒隙引起的振蕩，且具有較好的動態(tài)性能。切換控制是一種理想的控制方法，從理論上講，它盡量地保證了傳動的連續(xù)性同時使過程中的負面影響降到了最低，但是這種策略在間隙期間的計算量需求特別大，而且策略復雜，當間隙相對較小時，這種方法設(shè)計難度會更高。

(3)自抗擾控制

自抗擾控制器由跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器、非線性反饋控制律三部分組成，使用自抗擾控制對間隙進行補償就是利用擴張狀態(tài)觀測器對間隙引起的擾動進行估計，通過非線性反饋控制律對估計出的擾動進行補償。文獻[11]對考慮間隙等因素的航天機電伺服系統(tǒng)帶載模型采用自抗擾控制器進行仿真與實驗驗證，結(jié)果表明該方法具有較好的參數(shù)魯棒性和抵抗外擾的能力。自抗擾控制器的優(yōu)點是不依賴間隙的模型，而且估計出的總擾動對實際系統(tǒng)控制性能的提升有較大的意義，適于工程化。

(4)基于狀態(tài)反饋的補償方法

文獻[12]中考慮造成間隙負面影響的原因是間隙期間負載側(cè)力矩輸出為0，而過大的電磁轉(zhuǎn)矩使電機端速度快速變化，從而致使傳動過程中出現(xiàn)撞擊與機械諧振。采取的補償措施是先獲取主從側(cè)位置的差分角，分別對其進行一階和二階微分得到兩個中間變量，通過兩個狀態(tài)變量反饋補償電磁轉(zhuǎn)矩進而減小甚至消除間隙造成的極限環(huán)振蕩，其補償方法原理圖如圖8。該方法能夠?qū)﹂g隙造成的負面影響進行抑制，但缺點是引入的微分環(huán)節(jié)難以避免會帶來大量測量噪聲，需要對噪聲進行濾波處理。

圖8 狀態(tài)反饋補償控制原理圖

(5)魯棒控制方法

魯棒控制方法是將間隙對系統(tǒng)的影響看作外部干擾，通過補償器抑制減弱其對控制性能的影響。文獻[13]基于含間隙伺服系統(tǒng)模型設(shè)計魯棒干擾抑制補償器減小間隙的影響，并利用基于混合靈敏度的魯棒控制方法，設(shè)計反饋控制器以優(yōu)化含間隙伺服系統(tǒng)的控制精度和魯棒性。魯棒控制對間隙模型的依賴度低，但其設(shè)計因為相對保守而使得系統(tǒng)難以在最優(yōu)狀態(tài)運行，當對系統(tǒng)性能要求較高時，魯棒控制器的設(shè)計難度會增大。

(6)自適應控制

自適應控制針對含有間隙的參數(shù)不確定控制系統(tǒng)，通過在線校正或者估計機制抑制間隙的負面影響，優(yōu)化系統(tǒng)性能。若間隙的參數(shù)確定，可以通過對系統(tǒng)非線性部分預補償將其轉(zhuǎn)化為偽線性系統(tǒng)后實施經(jīng)典的自適應控制策略；若間隙的參數(shù)不確定，但知道其上下界，可以將參數(shù)誤差視為有界擾動實施魯棒自適應策略。自適應控制所依據(jù)的間隙模型的先驗知識較少，通過在線辨識和控制后，系統(tǒng)逐漸適應，最終調(diào)整到一個滿意的工作狀態(tài)。但由于其需要在線調(diào)整使得運行復雜，設(shè)計難度會升高，也會造成成本的增加。

3.3 小結(jié)

在間隙的補償策略中，機械消隙方法力求從物理空間將間隙值減小來實現(xiàn)對其負面影響的抑制，這樣往往可以使得系統(tǒng)性能得到改善，但結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)整的成本會升高不少，而且與控制策略實現(xiàn)補償相比，機械消隙方法在空間上減小了機械間隙，但傳動的彈性連接等問題依然存在，因此機械消隙方法對于系統(tǒng)整體性能的提升存在局限。控制補償策略是從間隙特性出發(fā)，從控制的角度施加作用或者將其影響視為擾動設(shè)計控制器。這些方法實現(xiàn)抑制間隙不良影響的思路各具其特點，在實際應用中要綜合考慮實施難度與成本控制。

4 結(jié) 論

近年來，傳動間隙對伺服作動系統(tǒng)的影響越來越受到關(guān)注，對間隙深入研究并采取合適的方法對間隙負面影響進行補償可以使系統(tǒng)性能得到改善。本文論述了間隙對系統(tǒng)造成諸如機械諧振、極限環(huán)振蕩、定位精度下降等負面影響；介紹了間隙的遲滯模型和死區(qū)模型；隨后從機械方案角度和控制角度重點介紹了抑制間隙負面影響的方法，同時分析了這些方法的優(yōu)勢和局限性，以期對解決伺服作動系統(tǒng)因間隙而性能不佳的問題提供思路或者方法。今后對傳動間隙問題的展開一方面需要從控制目標出發(fā)，對傳動機構(gòu)的設(shè)計提出更進一步的要求以減少系統(tǒng)調(diào)試過程中的機械調(diào)整；另一方面，對既有的伺服作動系統(tǒng)，從控制的角度對間隙的影響進行抑制，將這兩方面的考慮綜合后有望達到相對理想的效果。