双电机消隙原理
双电机驱动系统消隙技术研究与实现的开题报告
双电机驱动系统消隙技术研究与实现的开题报告一、选题背景隙死点（Dead Zone）是因为双电机驱动系统中两个电机的性能差异，造成其运动轨迹不同步，引起的一种情况。
直接控制两个电机不能有效地解决隙死点问题，而且这种问题会影响整个系统的性能和精度。
因此，实现对双电机驱动系统中隙死点的消除变得至关重要。
二、研究目的和意义本研究的目的是探讨双电机驱动系统消隙技术，并提出新的解决方案。
消隙技术的目的是消除双电机驱动系统中的隙死点，提高整个系统的性能和精度，使得电机的控制更为精准，减少误差。
此外，该研究还可以为实际应用提供可靠的理论基础。
三、研究内容本研究的主要内容包括以下几个方面：1. 双电机驱动系统的建模和分析：本研究将对双电机驱动系统进行建模和分析，探讨其动力学特性和隙死点形成的原因。
2. 隙死点消除方法的研究和比较：本研究将研究现有的隙死点消除方法，如电流环反馈、速度环反馈、位置环反馈等，并进行比较研究。
3. 新的隙死点消除方法的研究：本研究将提出一种新的隙死点消除方法，探讨其实现原理和效果。
4. 实验验证：本研究将通过仿真和实际实验来验证所提出的隙死点消除方法的有效性和可行性。
四、研究方法本研究将采用理论研究和实验验证相结合的方法。
理论研究主要是对于双电机驱动系统的建模和分析、现有隙死点消除方法的研究和对应方案的比较以及新方法的提出和分析。
实验验证主要是通过仿真和实际实验来验证所提出的隙死点消除方法的有效性和可行性。
五、预期成果本研究的预期成果包括：1.双电机驱动系统的建模和分析。
2.现有隙死点消除方法的研究和对应方案的比较。
3.一种新的隙死点消除方法的提出和分析。
4.仿真和实际实验结果的分析。
5.针对研究结果，在某些应用领域实现双电机驱动系统的隙死点消除。
六、研究计划阶段时间节点研究内容第一阶段 1-3个月双电机驱动系统的建模和分析第二阶段 4-6个月现有隙死点消除方法的研究和对应方案的比较第三阶段 7-9个月一种新的隙死点消除方法的提出和分析第四阶段 10-12个月仿真和实际实验结果的分析七、参考文献[1] 高桂勋. 电机控制技术与应用. 机械工业出版社, 2012.[2] 李培超. 控制理论与工程应用. 北京航空航天大学出版社, 2013.[3] 王清剑, 洪哲. 电机传动控制系统. 机械工业出版社, 2006.[4] Tang, X. L., Lun, L., & Lai, C. H. (2004). Dead-zone compensation for hybrid switched reluctance motor drives. IEEE Transactions on Power Electronics, 19(2), 378-389.[5] Xu, K., Shen, W. X., & Bai, L. (2004). Dead-zone compensation for permanent-magnet brushless motor drives using self-adaptive fuzzysliding-mode control. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51(4), 771-779.。
双电机消隙转台伺服系统的设计10
双电机消隙转台伺服系统的设计摘要：由于机械传动系统中齿轮轮齿的间隙会形成非线性误差，它影响着系统的动态性能和稳态精度。
本文针对齿轮传动中存在的齿隙非线性，以双电机驱动实现消除齿隙。
本文着重描述了该系统的控制原理和软硬件设计，根据所需消隙转矩和负载转矩、运动速度和加速度的关系，设计了实时消隙转矩补偿控制器实现系统完全消隙。
实验结果表明，采用双电机消隙的转台的定位精度得到有效的提高。
关键词：伺服系统；双电机消隙；定位精度0引言天线的性能参数如指向、波瓣宽度、增益等可以通过设计、计算和测试来确定，转台是天线性能参数测试时的主要设备，它可以为天线提供多种运动方式，并提供具体的位置信息。
但是由于机械加工时存在误差和机械磨损以及传动齿轮之间存在间隙，转台控制系统的跟踪精度和稳定性往往达不到预设的要求，所以消除齿轮间隙以提高传动精度显得尤为重要。
1实施方案1.1伺服系统硬件设计图1 双电机消隙伺服系统控制框架双电机消隙伺服系统控制框架如图所示，天线控制单元（威纶通触摸屏EMT3070A）通过自由协议和PCC间进行通信，实现速度指令、状态控制和状态信息等控制操作。
控制模块是实现系统闭环的关键环节，它接受来自编码器的转台位置参数和来自触摸屏、PCC的输入指令，对转台位置进行控制，并进行数字校正，实现转台的精确定位，同时监控转台运转情况，通过机械限位和软件监测实现转台的保护功能。
1.2双电机消隙原理采用双电机传动的方法来消除传动间隙，就要使一台电机工作在速度模式，作为消隙驱动的主动电机，输出的主动力矩和测试转台的运动方向一致；另外一台电机则工作在力矩控制模式下，作为消隙驱动的从动电机，为消隙机构的齿圈提供向后的张紧力。
图2 双电机消隙结构当转台顺时针运动时，电机1为速度控制模式，电机2为电流控制模式，两台电机分别作为主动电机和从动电机，力矩分别为M1、M2，则提供的总力矩M=M1-M2。
当转台工作在逆时针模式时，情况正好相反。
双电机驱动系统消隙技术分析
双电机驱动系统消隙技术分析摘要：双电机驱动系统是电力系统中重要的电机系统，双电机驱动的消隙技术是双电机驱动系统中的关键技术。
双电机驱动系统能否实现正常运行关键在于消隙技术本身的水平。
在人们对电机系统的要求越来越高的背景下加强对双电机驱动系统消隙技术的研究对于提升双电机驱动系统本身的性能具有重要意义。
本文将重点探讨双电机驱动系统的消隙技术。
关键词：双电机驱动；消隙；数控设备当前在电机系统中应用较为广泛的是单电机驱动系统，与此同时双电机驱动系统在数控设备，机器人以及雷达等系统中也得到了高效应用。
双电机驱动技术在这些领域中的应用能够有效提升系统机械的传动精度。
该技术在机械系统中的应用将成为未来时代发展的潮流。
双电机驱动系统在电机系统中的应用能够取得比单电机系统更好的效果，但是双电机驱动系统本身在的操作过程要比单电机驱动系统复杂的多。
双电机之间的转矩输出与电机位置控制还存在着一系列问题。
解决这些问题非常重要。
而要想解决这些问题很大程度上依赖于双电机驱动系统的消隙技术。
因而加强双电机驱动消隙技术的研究就显得非常重要。
1.双电机驱动系统的传动形式在探讨双电机驱动系统的消隙技术之前，了解双电机驱动系统的传统形式非常重要。
充分把握双电机驱动系统的传动形式有助于高水平的消隙。
在双电机驱动系统中，机械连接以及传动形式主要是丝杠，齿轮齿条，蜗轮蜗杆，齿轮等组成。
在双电机驱动系统中主要有以下四种形式：第一种形式是两个旋向相同的蜗杆分别布置在蜗轮附近，而两台电机分别驱动两侧蜗杆转动，最终实现蜗轮蜗杆正常运行。
这种方式一般情况下主要应用在驱动力较大的系统中，这种方式应用灵活，但是在使用过程中我们也需要注意到这种方式也有一定的缺点，反向运行阻力大就是其中一个典型缺点。
第二种形式是通过在某一机构两侧安装电机，在启动运行后两台电机能够同时运行，最终实现双机共同驱动该机构运动。
与其他驱动方式相比，这种驱动方式更能够减小运行过程中造成的变形问题。
双电机消隙
双电机消隙双驱消隙主从配置只在从动轴中进行配置。
在默认的设定中，与速度设定耦合一样，主动轴也用扭矩补偿控制。
其参数设置在MD 37252: MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR MD 37250:MS_ASSIGN_MASTER_SPEED_CMD在系统每次启动后自动生效。
扭矩补偿控制器一个PI控制器计算负载侧主动和从轴之间扭矩差的附加速度设定值。
并把这个值反号后加到主动和从动轴的速度设定点上。
如果这个分配引起不稳定，那么在从动轴中要将扭矩补偿控制器加上。
即 MD 37254. MS_TORQUE_CTRL_MODE = 1 作为扭矩补偿控制的扭矩设定值需要在驱动器中平滑，在参数MD1252中输入PT1滤波器的拐点频率。
MD1252: TORQUE_FILTER_FREQUENCY. 主动轴、从动轴一致增益系数MD 37256: MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN 对应最大轴速度的百分比MD 32000: MAX_AX_VELO to the drive torque = MD1725 / 8 of the slave axis.在默认设定中积分部分是无效的积分时间常数 MD 37258: MS_TORQUE_CTRL_I_TIME 以秒为单位输入。
扭矩补偿控制器的输出受参数MD 37260: MS_MAX_CTRL_VELO.的限制设定 MD 37256: MS_TORQUE_CTRL_MODE = 3或MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN = 0,就可以使扭矩补偿控制器无效。
扭矩的分配可以通过扭矩补偿器的输入变量参数化。
从动轴的驱动扭矩可以用MD37268加权。
MD 37268: MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE,而主动轴的MD 37268: MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE, =(100 –MS_TORQUE_WEIGHT_SLAVE).当使用扭矩补偿器时机械耦合绝对是必须的，否则驱动器会从静止加速。
双电机驱动消隙技术及其在数控设备中的应用
-
PT1
++
过滤器
张力扭矩
平衡系数
机械连接
位置设定值 + -
位置
+
控制器 nset=0
位置实际值
从动轴
速度 nact 控制器 iset
扭矩 iact 控制器
电机 M2
编码 器2
图 4 主从驱动控制原理图 Fig.4 Control principle chart of master-slave drive
1 传动间隙影响数控设备的原理分析
伺服系统中传动间隙的表现形式具有多样性，为 方便分析，将伺服传动系统中所有间隙等效为１个来考 虑。用 2Δ 来表示传动间隙的宽度，传动间隙的特性如 图 1（a）所示，其中 φa 和 φb 分别为电机输入轴转角和
* “十一五”国防基础科研项目。
84 航空制造技术· 2009 年第 17 期
采用主从驱动方式，即２个伺服电机共同承担负 载。采用扭矩补偿控制器实现伺服电机之间的扭矩平 衡分配，且扭矩补偿控制器根据伺服电机的具体性能分 配相应的负载扭矩。一般地，在同一坐标进给上应尽量 采用同型号、同性能的伺服电机，以简化系统的设置。 当主、从伺服电机性能不相同时，需要根据其扭矩平衡 系数调整扭矩匹配。
传动间隙限制了系统精度的提高，而在传动间隙不 可避免的情况下，如何采取措施尽可能地消除传动间隙 就非常必要。
除了在设计传动机构时尽量减小间隙外，大多采用 机械消隙的方法，即利用消隙齿轮和弹簧预紧等方法来
（-1，j0）
幅值 Im 频率 σ
-1/N（A） G（jω）
（a）系统稳定情况
（-1，j0）
幅值 Im 频率 σ
∑M
电机 1 转矩曲线
双电机消隙原理
双电机消隙就是两个电机通过齿轮与赤道仪的主齿轮啮合，并按双电机消隙控制曲线进行驱动（不要小看这条曲线，据说还是尼克松访华时带来的礼物之一呢！密云天线采用的是四电机消隙，有点不同。
），从图中可看到，永远不会出现两个电机输出转矩同时为零的情况，即任何时候两个电机至少有一个会对主齿轮施加不为零的转矩，在此转矩的作用下，主齿轮的运动间隙就不可能存在。
当然，此转矩必须大于转动链本身的摩擦力矩。
在实际消隙方式下，当系统需要的输出合力矩为零（静止）时，两通道电机的电枢电流为±Io（消隙偏置电流），其输出力矩大小相等方向相反；当系统需要的输出合力矩增加时，两通道电机的电枢电流随图二的曲线变化，其中一个通道的输出力矩将继续增加，另一个通道的输出力矩逐渐减小至零再增加，由阻力源变为动力源这样描述可能不是很好理解，大家可以理解为两个电机与主齿轮啮合时，一个是前齿面接触，另一个是后齿面接触，正转是由前齿面接触的齿轮出力，而反转时由后赤面接触的齿轮出力，这样一来就不会出现间隙了。
当然在实际工作中，两个齿轮都出力的，一个力大，另一个力小而已，它们的力矩方向都是运动方向，只是力大的前赤面接触，力小的后齿面接触。
注意，这里提到的是力矩控制，不要理解为速度，它们的速度是相同的。
上面简单的介绍了一下消隙控制的原理，赤道仪采用消隙控制的话，实现GOTO功能就简单多了，大家感兴趣的话，可以一起讨论一下。
由于步进电机的工作原理，进行力矩控制比较麻烦，所以我采用的是同步电机驱动，如果需要，下次我讲讲步进电机和同步电机驱动方面的内容。
"浅谈赤道仪控制技术（一）消隙系统(这条文章已经被阅读了3296次) 时间：2004/10/22 09:24pm来源：glyangjun此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息正在读取此图片的详细信息，请稍候...现在见到很多爱好者都在抱怨自己的赤道仪精度不够，简单的电跟也没有GOTO功能，恰好我现在正在开发密云水库50米射电望远镜的运动控制系统，就把我接触到的一些东西拿出来和大家聊聊。
双电机电气消隙与单电机机械消隙对比
双电机电气消隙与单电机机械消隙对比导语：本文从原理、性价比、结构等方面说明双电机电气消隙与单电机机械消隙的区别。
一）机械消隙产品（法国REDEX产品）：单个电机输入两个齿轮输出形式，（REDEX产品为一个电机输入，两个减速机带齿轮输出，通过专利技术，在减速机中间加预负载，运用机械原理将减速机内部及齿轮齿条之间的背隙全部消除）如图示：二）双电机电气消隙产品（德国STOBER产品）：双电机输入两个齿轮输出形式（即，两个电机输入，两个减速机带齿轮输出，运用电气控制，致使一个电机驱动的时候，另一个电机进行制动，将齿轮齿条及减速箱内部背隙全部消除）如图示：德国STOBER双电机电气消隙与其他消隙产品的比较：STOBER电气消隙系统特点如下：结构区别：双电机电气消隙原理是将其中一个电机做制动处理，从而取得预加载力。
也就是说，一个电机驱动一个电机制动，从而消除减速机及齿轮齿条的背隙;性能优越：重复定位精度可以达到0.01（1道以内）;控制灵活：需要大力矩加速的时候，两个电机可以同时驱动;硬件要求：齿条和减速机的精度没有要求，可以通过电气补偿方式让消隙效果达到最好;成本控制：比同等的欧洲机械消隙产品成本低;发展前景：性能优越、精度高、成本低，在竞争日益激烈的市场中越来越受到各个厂家的青睐;同行业应用：目前中国生产大型机床，龙门镗铣、落地镗等需要做齿条传动消隙处理的机床基本上都使用的是STOBER双电气消隙产品，主要客户应用情况见部分客户列表REDEX机械式消隙系统特点如下：结构区别：单电机机械消隙实际是通过反向的扭动其中一个齿轮来获取预加载力，也就相当于将一个齿轮固定，在另一个齿轮上加了一个扭力弹簧;性能一般：只能满足一般应用（重复定位精度一般都在0.02以上）;模式固定：机械方式预设的单一工作模式，不能根据实际需求做调整;硬件要求：减速机和齿条的精度要求比较高，硬件产品的精度越高消隙效果越好，相应的增加了硬件的成本;发展现状：机械消隙产品设计巧妙，通过简单的结构消除了齿轮与齿条之间的背隙，随着社会发展，机床精度要求越来越高，机械消隙产品已经不能满足应用，越来越多的被高精度、低成本的电气消隙产品所取代。
基于扰动补偿的双电机同步消隙策略研究
迫机＞易校镂丿应用2021,48(3)控制与应用技术EMCA 基于扰动补偿的双电机同步消隙策略研究李方俊"，王生捷彳，李浩$(1.中国航天科工集团第二研究院研究生院，北京100854；2.北京机械设备研究所，北京100854)摘要：在减速比较大的末端齿轮传动机构中，齿隙的存在将导致系统的动态性能表现大幅降低。
针对常见的对齿隙进行数学建模及仿真的分析方法，在Creo中建立实体模型，导入Adams并与MATLAB/Simulink 进行联合仿真的方式来验证双电机驱动消隙策略的有效性，并设计基于双电机控制系统的扩张状态观测器(ESO)对扰动进行补偿。
仿真结果表明:采用的双电机同步消隙策略能有效解决末端齿轮传动机构的齿隙问题，所设计的补偿器能可靠抑制扰动对伺服系统的影响。
关键词：永磁同步电机；机电联合仿真；双电机同步消隙；扩张状态观测器中图分类号：TM921.2文献标志码：A文章编号：1673-6540(2021)03-0027-09doi：10.12177/emca.2020.211Dual-Motor Synchronous System with Anti-Backlash MethodBased on Disturbance CompensationLI Fangjun1,2,WANG Shengjie2,LI Hao1(1.Graduate School,Second Academy of CASIC,Beijing100854,China;2.Beijing Institute of Mechanical Equipment,Beijing100854,China)Abstract：In the gear driving system with large reduction ratio,the existence of backlash will lead to the weak dynamic performance of the servo system.Aiming at the common analysis method of the backlash with mathematical modeling and simulation,the solid model in the Creo is established and then imported into Adams to run the cosimulation with the MATLAB/Simulink.On this basis,the effectiveness of the dual-motor driving anti-backlash strategy is verified.The extended state observer(ESO)based on the dual-motor model is used to compensate the influence of disturbance.The results show that the dual-motor driving anti-backlash method can solve the problems of the backlash in the gear driving mechanism,and the ESO can suppress the disturbance torque effectively.Key words:permanent magnet synchronous motor;electromechanical co-simulation;dual-motor synchronous system with anti-backlash technology;extended state observer(ESO)0引言在某些大惯量伺服系统的应用场合，常采取末端齿轮传动的驱动方式来获得大减速比及高驱动力矩，但传动齿轮间齿隙的存在极大地影响了伺服系统的动态性能，导致系统在快速运行过程中常伴随抖动现象的发生,限制了伺服系统的带宽且降低了系统的稳定性g］O国内外学者针对齿隙问题提出了许多解决方案,如针对齿隙死区模型，设计连续可微函数对其进行逼近，应用反步法在控制器的设计中对齿隙进行补偿“呵；文献［9］将齿隙非线性视为外部干收稿日期：2020-11-09；收到修改稿日期：2021-01-13作者简介：李方俊(1993—)，男，博士研究生，研究方向为永磁同步电机伺服控制系统控制。
齿轮消隙与双电机消隙的应用
图 ４ 双电机驱动图示
具体做法如下：本数控动柱式龙门铣床采用西
门子 ８４０Ｄ 数控系统。给每个电机预设一个 ２０ ％额
定扭矩的预加应力，设定一个电机为主驱动电机，左
齿轮要求出力大；另一个为副驱动电机，右齿轮要求
出力小，如表 １ 所列。Leabharlann 表 １ 主、副电机驱动力矩示意
中图分类号：ＴＨ１３２．４１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１３）０１－０１４４－０２
众所周知，在（滚珠）丝杠传动中，可以采用双螺 母反向预紧的方法，以机械方式消除单螺母传动面 临的反向间隙问题，以降低频繁反向过程中因反向 间隙引入的传动误差和刚度损失。但由于丝杠传动 存在不可避免的长度限制，而且超长行程的重载滚 珠丝杆由于销量有限，售价也极高，因而大型机床， 尤其是重型机床的直线进给轴普遍采用高精度齿轮 齿条传动。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖａｂｌｅ ｓｈａｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ＣＮＣ ｇａｎｔｒｙ－ｔｙｐｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ａ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｓｐａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｓｈａｆｔ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ ｇｅａｒ ｂｏｘ ｂｙ ｓｅｌｆ－ｍａｄｅ， ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｓｅｔｔｌｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ｍｏｔｏｒ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ；ｇｅａｒ ｂａｃｋｌａｓｈ；ｄｏｕｂｌｅ－ｍｏｔｏｒ ａｎｔｉ－ｂａｃｋｌａｓｈ
针对双电机驱动系统的间隙消除技术分析研究
摘要为了提高数控机床的传动精度，在国家863计划项目“大型舰艇螺旋桨用重型七轴五联动车铣复合加工机床”的资助下，本文研究了双电机间隙消除技术，以消除数控转台的机械传动间隙和传动误差，提高机床传动精度。
本文的主要研究内容如下：1) 通过对双电机驱动系统的结构特点的分析，阐述了这种传动方式消除间隙的基本原理、工作过程和四种较好的控制方式。
阅读大量国内外相关文献，对双电机间隙消除技术的发展状况和趋势进行深入的分析与总结。
2) 从双电机的基本结构入手，研究了驱动系统中存在的齿隙非线性因素；在考虑系统传动柔性的基础上，采用机理建模法，通过对电机电气学方程、机械动力学方程的分析与综合，将两组电机侧的参数耦合到负载侧，建立了基于永磁同步电机的双电机驱动系统的动力学模型。
3) 探讨了双电机的消隙控制算法，设计了电气预载控制器、智能PI差速负反馈控制器和模糊-PI复合位置控制器，达到转速同步和间隙消除的目的。
由电气预载控制器来产生偏置电压信号，以去除传动链中的传动间隙；由智能PI差速负反馈控制器产生校正信号，确保双电机转速同步，消除系统在动态过程中可能存在的齿隙；由模糊-PI 控制来确保转台理想的位置控制精度和响应速度。
4) 构建了整个伺服系统速度环和位置环SIMULINK仿真模型，在计算了实验平台的相应物理参数基础上，给出了最优控制器设计算法，进行控制器参数优化选择。
然后对系统的阶跃响应、正弦响应、负载扰动响应等进行试验分析，为系统的设计和现场调试提供一定的理论参考。
关键词：齿隙非线性消隙双电机同步驱动AbstractAt the support of the national 863 project -- “Seven Axis and Five-linked Turning and Milling Numerical Control Machine Tool of Manufacturing Large Marine Propeller”, the theory and technology of anti-backlash with dual-motor driving system has been researched in this paper, for the purpose to eliminate the mechanic clearance and increase the transmission precision of machine tools. The details are as following:1) According to the analyses about the structure feature of the dual-motor driving system, the basic theories has been proposed, including the working principle, process and the common control mode to eliminate transmission error. Through reading a lot of related literatures around the world, present development and their promising future of anti-backlash technologies has been analyzed and summarized based on dual-motor driving system.2) Start with analyzing the basic structure of the dual-motor driving system, the backlash nonlinearity has been studied. Then the mechanical dynamics equations and electrical equations has been synthesized. While the elasticity of the driving axis was taken into account, the kinetic model of the dual-motor driving system has been set up base on PMSM, with transforming the parameters from the side of motor to the side of load.3) The control algorithms to eliminate the backlash has been discussed, while the electrical preload controller, the intelligent PI velocity difference controller and fuzzy-PI position controller has been designed which is to eliminate the backlash in static and dynamic process and guarantee the control precision and response rapidity.4) The SIMULINK model of the whole servo system has been built and the MATLAB optimize control program has been layout. Then the parameters of the equipments have been calculated and the simulation experiment has been carried out. The result of simulation and experiment will give theory consultation for system design and field debug.Keywords:Backlash-nonlinearity, Anti-backlash, Dual-motor, Synchronized driving独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
双电机消隙
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
t
s y
2. 普通齿轮-齿条传动特点
s
t
e
?两侧的驱动单元获得相同的位置控制命令，能同步到达对应位置。
m
?由于齿条自身的节距误差以及安装误差，齿条与齿轮间会产生间隙，并且
这种结构自身无法消除。
? 两驱动单元互相之间无法形成张力
20 :.ve R
128 500 D-79 01 :.r N ne galroV
n
i
R a
o
Pn
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D o
k
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Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
t
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2.原理与运行模式 —运行模式
t
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灰色区域 :
粗加工或快进（加速度较大）， 两个小齿轮朝一个方向工作。
黄色区域 : 精加工（加速度较小）
两个小齿轮扭矩方向相反 — 无间隙
02 ev.: R
821 005 97-D 10 r.: N en Vorlag
1
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Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
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1. 电消隙结构—张力消除间隙
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(1)两个齿轮箱之间存在张力，这样
controller
4
可以避免齿轮齿条之间的间隙，以及
主从驱动控制在双电机消隙中的应用
主从驱动控制在双电机消隙中的应用摘要：为了提高电机控制系统的性能和可靠性，需要对双电机消隙进行控制。
主从驱动用于控制两个电机之间的互相补偿，保证电机运行时不出现电流突变和震荡。
本文介绍了主从驱动在双电机消隙中的应用，分析了主从驱动的原理和工作方式，并且进行了实验验证。
实验结果表明，主从驱动可以有效地解决电机消隙问题，提高了电机控制系统的性能和可靠性。
关键词：主从驱动、双电机消隙、电机控制系统、性能、可靠性正文：1. 引言双电机消隙是电机控制系统中的一个重要问题，在电机加速、减速、换向等场合都会出现。
电机在工作时，电流可能会出现突变和震荡，影响电机的运行和寿命。
因此，需要通过控制来消除这种现象。
2. 主从驱动的原理和工作方式主从驱动是一种控制电机的方法，用于控制两个电机之间的互相补偿。
当一个电机运行时，另一个电机会受到它的电动力学作用，产生电流突变和震荡。
为了消除这种现象，需要使用主从驱动。
主从驱动的原理如下：（1）主驱动器接收控制信号，控制电机的运行；（2）从驱动器接收主驱动器的信号，并通过自身的控制器控制电机运行，实现主从控制。
主从驱动的工作方式如下：（1）主驱动器与从驱动器之间进行通信，主驱动器发送控制信号，从驱动器接收并执行。
（2）从驱动器通过控制器控制电机的运行，实现主从控制。
3. 主从驱动在双电机消隙中的应用主从驱动可以用于控制两个电机之间的互相补偿，消除双电机消隙的问题。
在双电机驱动系统中，主机驱动器接收控制信号，从驱动器通过控制器控制电机的运行。
通过主从驱动的互相补偿，可以保证电机运行时电流的平稳和稳定。
4. 实验验证为了验证主从驱动在双电机消隙中的应用效果，进行了实验研究。
实验中，控制电机加速、减速、换向等场合，使用主从驱动进行控制。
实验结果表明，主从驱动可以有效地消除电流突变和震荡，并提高电机控制系统的性能和可靠性。
5. 结论本文介绍了主从驱动在双电机消隙中的应用，分析了主从驱动的原理和工作方式，并进行了实验验证。
双电机驱动消隙技术在重型数控机床的应用
矩（ 消隙扭 矩 ） 作 用在 减速 机构 的初级齿轮 上 ， 使各级 输出齿 传动齿轮保持单 面啮合 ， 图
１ 中左边 的小齿轮和齿条 的 左 齿面 相啮 合并 有 向左 的
驱动力矩 ， 右 边 的小 齿 轮 和 减速 机
随着传动部件磨损和环境因素影 响，消隙作用会逐渐降低甚 至
消隙效果好 、 精度 高， 提 高机床动态响应和定位精度 ， 简化驱动 系统结构， 降低后期维护费用 。 关键词 双 电机消隙
中 图分 类 号 Ｔ Ｇ ６ ５ ９
重型数控机床
文献标识码
主从驱动
Ｂ
传动间隙 参数
小型数控机床采用滚珠 丝杆螺母副传动 ，使用机械预紧的 方式消除丝杆螺母问的反向间隙 ， 确保机床传 动精度 。 重型数控
通过对吐丝机剖分环改进及创新 ，吐丝机剖分环的使用寿 命得 到大 幅度提高 。吐丝机 的振 动值 始终控制 在 ０ ． ５ － ２ ｍ ｒ ｒ ｄ ｓ
（ 报警值 ７ ｍ ｍ ／ ｓ ） 。 原摩根剖分环每 ３ 个月 消耗 １ 件， 改造后 ， 剖 分环每 １ ８月才 消耗 １ 件 。设 备开动率始终保持在 ９ ９ ． ８ ％以上 ，
触， 两扭矩 相 等 ， 此 时无 间 隙 。系统将两个 同方 向的 进 给伺 服轴 分别设 定 为 主
五、 效 果 验证
图 １ 双 电机消隙原理
双 电机消隙是 由两套独立的伺服驱动器驱动相 同参数的两 在（ 剖分环 的拆卸部位 ） 合金套磨损 后 ， 无需 拆除剖分环 和其 他 等部件 ， 只是更换合金套 就可 以， 约 １ ｈ可更换完成 ， 缩短 了更
换时 间； 合金套磨损后也不用进行堆焊打磨 ， 直接更换合 金套 即
可， 避免剖分环 因堆焊打磨而产生的变形 ， 吐丝机轴承及空气 弹
双电机消除间隙
4）负载较轻时，两个齿轮对齿条的左右齿面施加足够大的反向驱动力，这样一来，无论朝哪个方向反向运行，都不会产生反向间隙。
5）负载足够大时，两个齿轮对齿条的同向齿面施加方向一致的驱动力，以提高负载驱动能力。
总之，由于双电机电气消隙性能优越、精度高、成本低，在竞争日益激烈的市场中仍具有良好的发展前景，并受到大型和重型机床厂家的青睐。
蜗轮蜗杆传动也同样可以采用由两台（伺服）电机分别驱动的两个蜗杆实现（双电机）电气消隙，两个蜗杆间的反向预紧力或驱动力也分别由驱动这两个蜗杆的伺服电机的力矩协调关系来保证，从而消除单一蜗杆传动难于避免的反向间隙。
众所周知，在（滚珠）丝杠传动中，可以采用双螺母反向预紧的方法以机械方式消除单螺母传动面临的反向间隙问题，以降低频繁反向过程中因反向间隙引入的传动误差和刚度损失。环面包络滚子蜗杆传动，也可以借助双滚子包络环面技术以机械方式实现反向预紧，消除传动间隙。
同理，在齿轮齿条传动、齿轮齿圈传动也可以依靠双齿轮反向预紧的方式消除反向间隙，如果两个齿轮与齿条/齿圈的反向预紧力由机械装配和调整关系来实现，则称之为机械消隙，机械消隙属于单电机输入两个齿轮输出的形式；如果两个齿轮与齿条/齿圈间的反向预紧力分别由驱动这两个齿轮的两台（伺服）电机间的力矩协调关系来保证，则称之为双电机电气消隙，双电机电气消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
以齿轮齿条传动的双电机电气消隙为例，假设两个齿轮的轴位置固定，安装于齿轮上方的齿条在齿轮的驱动下可带动工作台沿水平方向左右移动，则双电机电气消隙的工作原理是：
1）两个电机分别驱动各自的齿轮与齿条啮合。
2）静态下，一个齿轮与齿条的左齿面啮合并适度保持向右的驱动力，另一个齿轮与齿条的右齿面啮合并适度保持向左的驱动力。
浅述双电机驱动系统消除齿轮间隙的对策
浅述双电机驱动系统消除齿轮间隙的对策作者：南京航空航天大学自动化学院杨海萍王道波引言采用齿轮减速来获得大力矩输出是伺服控制系统中常采用的拖动方式，这种带齿轮传动的伺服系统由于存在齿轮间隙会造成系统极限环振荡、低速不平稳和换向跳变等现象, 使伺服系统不能达到较高的定位控制精度。
由于齿隙非线性所具有的强非线性、非解析描述和不可微的特性,采用常规控制方法不能解决齿隙造成的控制精度差和动态性能不良等问题，因而解决齿隙非线性对控制精度影响的问题一直是控制领域研究的重要内容。
近些年来，随着对齿隙非线性机理研究的深入和非线性控制理论的发展，采用控制方式来消除齿隙影响的方法不断出现，如自适应控制理论、逆模型方法、碰撞分析法和非线性几何理论等，已成为解决齿隙问题的有力工具，上述这些方法基本都是针对建模、特性分析和控制理论进行的研究,不便于直接应用于工程实现。
本文提出了一种在工程实现上简便有效的方法，即采用双电机差步驱动来消除齿轮传动间隙的方法，通过二个电机的差步加载，使齿隙现象消除，不仅可达到较高的定位精度，同时能提高输出轴的力矩。
带齿隙伺服系统的机理分析为分析双电机驱动时差步控制消除齿隙的机理，需对双电机驱动的伺服系统进行数学建模与分析。
在大小齿轮运动过程中，大齿轮和小齿轮的啮合运动是通过它们之间的弹力和粘性摩擦力的相互作用来完成的，在一般情况下，粘性摩擦力忽略不计。
由于制造和机械上的误差造成齿轮啮合不够准确，会进一步增大齿隙的影响。
建模思路是先不考虑齿隙影响建立电机传动系统的理想动力学模型，然后再把齿隙考虑进去，进一步建立含齿隙的电机传动系统的动力学模型。
双电机驱动系统的原理结构图如图1所示：图1 双电机驱动齿轮原理图如不含传动齿轮时其动力学模型可为：（1）式中：j c1，j c2是两个小齿轮的转动惯量，是两个小齿轮的角速度，是两个伺服电机的角速度，i1和i2表示两电机电枢回路的电流，u1，u2是两个电机的电枢电压，j m是大齿轮的转动惯量，是大齿轮的角速度，c是阻尼系数，k是刚性系数。
双电机消除间隙
4）当两台伺服电机输出同向力矩使系统以足够大的输出合力矩朝某个方向运行过程中需要减速并反向运行时，将执行由3）到1）再到2）的变化规律。
也不妨换一种描述方式来理解双电机电气消隙：
1）由两个电机分别驱动的齿轮与齿条啮合时，两个齿轮都对齿条出力，不过在绝大多数情况下都是一个力大，另一个力小。
2）轻载下，两个齿轮出力的方向相反，哪个力大就往那个方向移动，只不过出力大的齿轮驱动齿条移动，出力小的齿轮阻止齿条移动。
众所周知，在（滚珠）丝杠传动中，可以采用双螺母反向预紧的方法以机械方式消除单螺母传动面临的反向间隙问题，以降低频繁反向过程中因反向间隙引入的传动误差和刚度损失。环面包络滚子蜗杆传动，也可以借助双滚子包络环面技术以机械方式实现反向预紧，消除传动间隙。
同理，在齿轮齿条传动、齿轮齿圈传动也可以依靠双齿轮反向预紧的方式消除反向间隙，如果两个齿轮与齿条/齿圈的反向预紧力由机械装配和调整关系来实现，则称之为机械消隙，机械消隙属于单电机输入两个齿轮输出的形式；如果两个齿轮与齿条/齿圈间的反向预紧力分别由驱动这两个齿轮的两台（伺服）电机间的力矩协调关系来保证，则称之为双电机电气消隙，双电机电气消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
此前一直都在讲双电机电气消隙的力矩控制原理，需要注意的是双电机电气消隙的运行过程中，无论两个齿轮的出力方向相反，还是相同，哪怕其中一个齿轮的出力恰好为零，两个齿轮的实际运行速度名义上总是相同的。
双电机消隙控制技术研究
双电机消隙控制技术研究发布时间：2022-07-13T03:24:58.335Z 来源：《中国科技信息》2022年5期3月作者：黎建国[导读] 齿轮传动系统间隙控制是一个系统工程，它涉及到齿轮传动系统设计、加工、制造成本等一系列问题。
黎建国贵州航天天马机电科技有限公司摘要：齿轮传动系统间隙控制是一个系统工程，它涉及到齿轮传动系统设计、加工、制造成本等一系列问题。
本文结合双电机消隙控制原理，通过分析齿轮传动系统的空回间隙及双电机驱动动力学模型，并在此基础上提出了消隙控制器设计方法，达到伺服系统消除齿轮间隙，提高控制精度的目的。
主题词：双电机消隙控制1引言齿隙是齿轮传动过程中不可避免的一种非线性，同时也是影响系统动态性能和稳定精度的重要因素。
理想的精密机械传动装置，其输出与输入之间的关系应当是线性的，但由于齿隙的存在，传动过程中会产生回程误差，系统的输入与输出在短时间内会失去运动联系，造成输出的突然中断，从而使运动传递关系成为非线性。
齿隙非线性会使系统产生振荡，大大降低系统的稳定性与精度。
采用单电机控制方式无法有效消除齿隙，因此会造成系统稳定性与精度较差，采用双电机双馈的控制方式可有效消除齿隙，从而提高系统的稳定性与控制精度。
2双电机消隙原理双电机驱动系统是由两台电动机连接两个完全相同的齿轮减速器，两齿轮减速器又通过各自的一个小齿轮啮合到大齿轮上，从而带动负载转动。
所谓消隙，则是在系统启动或换向时，在两个电机间建立一个偏置电流，从而形成一个偏置力矩来消除齿隙。
为实现消隙控制，理想的方案是使两电机分别作为正向驱动和反向驱动的动力电机，正向电机在反转时保持输出一个足以消除传动间隙的正向力矩，反向电机正转时保持输出一个足以消除传动间隙的反向力矩。
在此方案中，任意时刻都有一个电机牌反向出力状态，要求每个电机的功率都大于实际系统所需功率，所以实际的消隙系统基本都不采用这种方案，而是采用一种更为经济的近似方案。
双电机消隙技术在某火炮随动系统中的应用
双电机消隙技术在某火炮随动系统中的应用张原;周璐璐【摘要】This paper take a artillery with the develop of the dynamic system for background. In order to further improve the precision of thesystem ,Firstly, It introduces the compound control system model and separate-zone PID algorithm; I also discuss the principle of anti-backlash, and set up the simulation model. Finally, the result of matlab simulation shows that using separate-zone PID algorithm and meanwhile using the anti-backlash technology can ensure that the system is stable, and it can largely improve the tracking precision of servo system.%文中以某火炮随动系统的研制为背景，为了进一步提高系统精度，首先介绍了复合控制系统模型及分区PID算法，另外详细论述了双电机消隙的原理及动力系统结构，并建立了仿真模型。
最后，通过matlab仿真表明同时运用分区PID算法和双电机消隙技术，能够在保证系统稳定的情况下，很大程度地提高伺服系统跟踪精度。
【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)016【总页数】4页(P106-108,112)【关键词】复合控制;分区PID算法;双电机消隙;仿真【作者】张原;周璐璐【作者单位】西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129;西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129【正文语种】中文【中图分类】TP273众所周知，经典PID由于算法简单，在随动系统的控制中是十分常用的，但由于经典PID算法的比例、积分和微分是一直不变的，这就使得它的控制效果达不到很好的效果，而采用分区PID控制，能根据实际需要，在不同区段采用相应算法，可以在很大程度上提高系统的稳定性。
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双电机消隙就是两个电机通过齿轮与赤道仪的主齿轮啮合，并按双电机消隙控制曲线进行驱动（不要小看这条曲线，据说还是尼克松访华时带来的礼物之一呢！密云天线采用的是四电机消隙，有点不同。
），从图中可看到，永远不会出现两个电机输出转矩同时为零的情况，即任何时候两个电机至少有一个会对主齿轮施加不为零的转矩，在此转矩的作用下，主齿轮的运动间隙就不可能存在。
当然，此转矩必须大于转动链本身的摩擦力矩。
在实际消隙方式下，当系统需要的输出合力矩为零（静止）时，两通道电机的电枢电流为±Io（消隙偏置电流），其输出力矩大小相等方向相反；当系统需要的输出合力矩增加时，两通道电机的电枢电流随图二的曲线变化，其中一个通道的输出力矩将继续增加，另一个通道的输出力矩逐渐减小至零再增加，由阻力源变为动力源
这样描述可能不是很好理解，大家可以理解为两个电机与主齿轮啮合时，一个是前齿面接触，另一个是后齿面接触，正转是由前齿面接触的齿轮出力，而反转时由后赤面接触的齿轮出力，这样一来就不会出现间隙了。
当然在实际工作中，两个齿轮都出力的，一个力大，另一个力小而已，它们的力矩方向都是运动方向，只是力大的前赤面接触，力小的后齿面接触。
注意，这里提到的是力矩控制，不要理解为速度，它们的速度是相同的。
上面简单的介绍了一下消隙控制的原理，赤道仪采用消隙控制的话，实现GOTO功能就简单多了，大家感兴趣的话，可以一起讨论一下。
由于步进电机的工作原理，进行力矩控制比较麻烦，所以我采用的是同步电机驱动，如果需要，下次我讲讲步进电机和同步电机驱动方面的内容。
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浅谈赤道仪控制技术（一）消隙系统
(这条文章已经被阅读了3296次) 时间：2004/10/22 09:24pm来源：glyangjun
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现在见到很多爱好者都在抱怨自己的赤道仪精度不够，简单的电跟也没有GOTO功能，恰好我现在正在开发密云水库50米射电望远镜的运动控制系统，就把我接触到的一些东西拿出来和大家聊聊。
希望对大家DIY有一点帮助，更希望有高手能指点一二。
大家都知道，目前广大爱好者手中使用的赤道仪都采用蜗轮蜗杆组传动的，两个齿轮在啮合时只有前齿面是接触的，否则后齿面会因为摩擦而损耗，严重时传动都不能正常进行。
由于两齿轮啮合时，后齿面存在间隙，在反转时势必会出现空程，而普通的电跟采用步进电机开环驱动，没有必要的位置反馈部件，所以在正转若干步再反转同样步数时，天望不能指回原先的位置。
在这种情况下，要实现GOTO功能是不可能的，我见过一些文章提到，在调试赤道时，事先进行正反转操作，采集到赤道仪的间隙步数，之后利用软件进行补偿，以实现GOTO功能。
但赤道仪的间隙是不确定的，锁定操作或温度，都有可能改变赤道仪的间隙，经常性的调整很麻烦，而且软件还要跟上。
其实彻底解决的办法就是把赤道仪的运动控制系统（是不是称谓有点夸张？！其实就是电跟啦！）改成闭环控制，并且采用双电机消隙控制。
先讲讲消隙控制是怎么回事吧。
双电机消隙就是两个电机通过齿轮与赤道仪的主齿轮啮合，并按双电机消隙控制曲线进行驱动（不要小看这条曲线，据说还是尼克松访华时带来的礼物之一呢！密云天线采用的是四电机消隙，有点不同。
），从图中可看到，永远不会出现两个电机输出转矩同时为零的情况，即任何时候两个电机至少有一个会对主齿轮施加不为零的转矩，在此转矩的作用下，主齿轮的运动间隙就不可能存在。
当然，此转矩必须大于转动链本身的摩擦力矩。
在实际消隙方式下，当系统需要的输出合力矩为零（静止）时，两通道电机的电枢电流为±Io（消隙偏置电流），其输出力矩大小相等方向相反；当系统需要的输出合力矩增加时，两通道电机的电枢电流随图二的曲线变化，其中一个通道的输出力矩将继续增加，另一个通道的输出力矩逐渐减小至零再增加，由阻力源变为动力源。
这样描述可能不是很好理解，大家可以理解为两个电机与主齿轮啮合时，一个是前齿面接触，另一个是后齿面接触，正转是由前齿面接触的齿轮出力，而反转时由后赤面接触的齿轮出力，这样一来就不会出现间隙了。
当然在实际工作中，两个齿轮都出力的，一个力大，另一个力小而已，它们的力矩方向都是运动方向，只是力大的前赤面接触，力小的后齿面接触。
注意，这里提到的是力矩控制，不要理解为速度，它们的速度是相同的。
上面简单的介绍了一下消隙控制的原理，赤道仪采用消隙控制的话，实现GOTO功能就简单多了，大家感兴趣的话，可以一起讨论一下。
由于步进电机的工作原理，进行力矩控制比较麻烦，所以我采用的是同步电机驱动，如果需要，下次我讲讲步进电机和同步电机驱动方面的内容。