某型号转台速度过零点梯形脉冲补偿优化

贾锡龙

摘 要：针对某型号立式双轴转台俯仰轴速度过零点时，出现位置跟踪精度恶化的情况，设计了矩形、梯形两种脉冲补偿方式进行补偿优化，其中梯形优化方式获得了较好的效果，可将位置跟踪精度由0.008°提升至0.004°，增强了系统的跟踪性能。该补偿方案具有易于实现、不影响原有控制策略的特性。

关键词：速度过零；摩擦力跃变；脉冲补偿

中图分类号： TN820.3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-135-2

1 问题概述

某型号立式双轴转台采用PID加前馈的复合方式进行伺服控制，由内而外依次为电流环、速度环和位置环。

在进行位置跟踪精度模拟测试时，发现俯仰轴跟踪精度在速度过零点存在误差凹陷，极值为-0.008°，影响跟踪精度提升，且通过PID参数重新整定和前馈系数调整无法缓解或消除该凹陷。误差凹陷图详见图1 （纵轴数值为误差值，单位：度；横轴数值为时间轴）。

2 原因分析

为便于分析，将位置数据差分获取速度信息并与跟踪精度数据一起生成图2（其中系列1的纵轴数值为误差值，单位：度；系列2的纵轴数值为速度值除以500，单位：度/秒）。观察图2，可发现在误差凹陷产生期间，速度恰处于过零阶段。经分析，认为造成误差凹陷的主要原因有：

① 速度过零前期，转动速度逐渐变缓，摩擦力逐渐增强，直至跃变为静摩擦力；

② 速度过零瞬间，转动速度由正变负，俯仰轴转动方向换向，相应的静摩擦力突然换向，产生摩擦力跃变，造成系统非线性；

③ 速度过零后的一段时间内，摩擦力由静摩擦力逐步转换为动摩擦力，但由于速度较慢，摩擦力依旧较大，阻碍转速有效提升，导致误差较大；

④直流电机换向运转，电枢电流换向延时（可等效为摩擦力影响进行补偿）。

3 解决方案选取

为了解决以上问题，一般有以下几种方法：

力矩反馈法：即通过安装高精度力矩传感器，构成力矩反馈环节，从而抑制摩擦力扰动，但该方法需加装传感器，不宜用于已设计好的转台。

高频颤震法：即通过施加小幅度、高频率信号的方式，抑制零速附近摩擦力非线性突变，但该方法会引入控制噪声，故不推荐该方法。

基于LuGre等动态摩擦模型补偿法：即通过构建LuGre等动态摩擦模型的方式，完成对系统的实时补偿，但该方法存在辨识参数众多、辨识复杂的特点。

脉冲信号补偿法：即采用较大幅度、短周期的脉冲信号，对系统过零点进行补偿，以消除摩擦力跃变引起系统的非线性[1]。

基于以上方法的特点和原控制结构长期工作中的稳定性考虑，选用脉冲信号控制法对过零点运动进行脉冲补偿。考虑到实际使用中，每次过零点特性不同，将脉冲补偿幅度与误差量相关联，以增强对不同过零情况的普适性。

4 矩形脉冲补偿

矩形脉冲补偿的控制策略为：构建速度过零位置反向运动（以下简称补偿点）的监测机构，监测到补偿点时，开始进行幅度为K的矩形脉冲补偿，补偿周期T后撤销补偿。经试验，T设为55个伺服周期时，通过调节K值，可将跟踪精度提升至0.006°，详见图3。

但该补偿方式存在局限性：当K值取小时无法有效消除凹陷误差极值（图3中A点）；K值取大时A点误差消除，但导致正向误差超限（图3中B点）；增大K值，缩减周期T，又造成撤销补偿后振荡误差增大（图3中C点）。

5 梯形脉冲补偿

根据矩形脉冲补偿的局限性和俯仰轴速度过零点运动特性，设计梯形脉冲补偿，设计思路为：

①当监测到补偿点时，进行高K值的矩形脉冲补偿，以抑制A点误差值；

②缩短矩形脉冲周期值（设为T1），抑制过补偿造成的B点误差；

③矩形脉冲补偿完毕后，速度处于逐渐回升阶段（仍旧较低），摩擦力逐渐减弱，此时进行周期为T2的降斜率的三角形脉冲补偿（峰值为K），逐步削弱补偿量，可与摩擦力变化更好的匹配，同时可避免撤销补偿瞬间引起的误差振荡现象，削减C点误差值。

经试验，梯形脉冲补偿时T1设为20个伺服周期，T2设为60个伺服周期，K值整定为25时，跟踪精度达到最优，为0.004°，详见图4。同时对比图3和图4，可见采用梯形脉冲补偿后，A点、B点及C点的误差均被有效抑制。

6 总结

本文脉冲补偿优化构建于位置环回路，以矩形脉冲补偿为例，等效于位置环比例项P值条件性增加数值K；

当条件在周期T内连续触发时，等效于比例项P值恒定增加数值K。故补偿后不影响系统原有控制策略且易于实现。

本文采用矩形、梯形两种脉冲补偿方式分别对速度过零点进行了优化，并分析了两种脉冲补偿方式的结果。其中梯形脉冲补偿具有更高的灵活性和可调节性，能有效抑制速度过零点时系统非线性并可平缓退出补偿。采用梯形补偿后，跟踪精度由0.008°提升至0.004°。

参 考 文 献

[1] 王蕴恒，王吉元，卜树坡.飞轮转速过零时卫星姿态的补偿控制研究[J].计算机仿真，2009，8：019.