双电机消隙
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。
一种双电机消隙伺服系统_程登元
关键词 : 消隙传动; 伺服系统; 脉宽调制; 多极旋转变压器
中图分类号 : T N957; T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 - 2337( 2009) 05 - 0392 - 05
A Kind of Double Motor Anti Backlash Mechanism Servo System
2
双电机消隙传动的原理
如图 1 所示 , 利用两套相同的电机 , 分别带动
两套完全相同的减速器 , 再由减速器的输 出轴小 齿轮带动负载轴大齿轮转动 , 通过伺服控制电路, 使大齿轮在启动和换向过程中始终受到偏置力矩 的作用, 两个小齿轮夹紧大齿轮 , 大齿轮无法在齿 轮间隙中来回摆动, 从而达到消除间隙 , 提高伺服 系统电路工作原理
由 D/ A 转换器将控制 电压转换成 10 V 模 拟量, 同时送入运放 1 和运放 2, 在运放 1 和运放 2 的输入端分别加入偏置电压 + V R 和 - V R , 其电压
图 3 双电机伺服控制系统原理图
幅度相同, 极性相 反。运放的 输出端加稳压二 极 管, 限制其输出的最大幅值, 形成饱和段特性曲线。 两个运放的输出分别送入 PWM 功放电路。PWM 功 放电路与伺服电机共同组成电流闭环控制, 运放的电 压与电机的电流呈线性关系, 而电机的电流又与电机 的输出力矩呈线性关系。因此, 改变 D/ A 转换器的 输出电压即可控制电机的输出力矩。 3. 3 R/ D 变换器 本系统采用单通道多极旋转变压器作为角度 测量装置, 其精度为 1 , 旋转变压器的定子固定在 天线基座上 , 转子随天线一起转动 。它的定子和 转子各有 16 对相互正交的绕组。 给定子绕组加励磁电压 : U = U m sin t , 当转 子的绕组轴线与定子励磁绕组轴线呈夹角 时, 两 个绕组中感应电动势分别为 U c = K Um co s( N ) sin t = U cm sin t U s = K Um sin ( N ) sin t = U sm sin t 式中, K 为变压比; N 为极对数, 在此等于 16。 显然, 转子的两个绕组输出电压的振幅与 它 的转角 的 N 倍呈正、 余弦关系, 包含着天线转角 的信息。 因此 , 利用这两个正余弦信号可确定天线 转角 。 为了便于计算机处理, 需要通过 R/ D 变换器 将旋 转 变 压 器 输 出 的 模 拟 量 转 换 成 数 字 量。 AD2S80 是单片 10 位、 12 位、 14 位或 16 位跟踪式 R/ D 变 换器。它采 用 BiMOS 工艺 制 造, 汇 集 了 CMOS 逻辑电路和双极型高精度线性电路的优点。
26966814_双电机同步消隙伺服系统的鲁棒滑模控制策略
2022年4月第50卷第2期Apr.2022Vol.50No.2现代防御技术MODERN DEFENCE TECHNOLOGY双电机同步消隙伺服系统的鲁棒滑模控制策略*李方俊，王生捷（北京机械设备研究所，北京100854）摘要：针对常见的双电机同步消隙伺服系统电流环、速度环、位置环控制结构，提出一种鲁棒性更强、响应速度更快的简化控制策略。
利用反步递推理论设计了伺服系统的位置控制器，由经指令滤波处理后的参考位置指令直接计算出力矩信号传递至电流环，简化了系统的控制结构；在反步控制器设计过程中引入积分非奇异终端滑模面，克服了线性滑模的抖动问题，并使得系统在有限时间内到达平衡状态；采用扩张状态观测器对总扰动进行补偿，使得系统对内部结构参数变化及外在扰动均具有较强的鲁棒性。
在Matlab/Simulink与Adams中进行了联合仿真实验，仿真结果表明，所研究的新型双电机同步消隙控制方法比传统方案具有更佳的跟踪性能，比普通的扰动补偿方法有更好的抗扰能力。
关键词：双电机同步消隙；指令滤波；反步法；积分非奇异终端滑模面；扩张状态观测器doi：10.3969/j.issn.1009-086x.2022.02.014中图分类号：TM921.2；TJ765；TP391.9文献标志码：A文章编号：1009-086X（2022）-02-0104-09 Control of the Dual-Motor Synchronous Anti-Backlash Servo Systemwith Robust Terminal Sliding Mode ControlLI Fang-jun，WANG Sheng-jie（Beijing Institute of Mechanical Equipment，Beijing100854，China）Abstract：Aiming at the common current loop，speed loop and position loop control structure of dual-motor synchronous anti-backlash servo system，a simplified control strategy with stronger robustness and faster response speed is proposed.The positon controller of the servo system is designed based on the backstepping theory and the torque reference command is directly calculated and transmitted to the cur‑rent loop from the reference position command after command-filter processing,which simplifies the con‑trol structure.The integral nonsingular terminal sliding surface is introduced in the backstepping control‑ler design process which overcomes the chattering problem of the linear sliding mode control and makes the system reach the equilibrium state in finite time.The extended state observer（ESO）is adopted to compensate the external disturbance which makes the servo system more robust to the changes of the in‑ternal structure parameters and external disturbance torque.The co-simulation experiment is carried out in Matlab/Simulink and Adams and the results show that the proposed new dual-motor synchronous anti-backlash method has better tracking performance than tradition scheme and better anti-disturbance abil‑ity than the ordinary disturbance compensation method.☞测试、发射技术☜*收稿日期：2021-09-23;修回日期：2021-12-02第一作者简介：李方俊（1993-），男，湖南常德人。
双电机消隙
2 3 1
1 0 0 N F
TP Ei A Mn R o a Pn i D o k
i
i t s y s t e m
Masterห้องสมุดไป่ตู้Slave
3. 原理与运行模式—计算
精加工（黄色区域） 这时主动齿轮箱的输出力由安全系数C乘上加速力。 F2M_ max = c x F2a F2M_ max根据移动部件重量 m 和切削力 FP决定 => m2M_max = c x m F2M_Pmax= c x FP
Vorlagen Nr.: 1097-D005821 Rev.: 02
Ei 3,5m到 4 m X-轴 Y-s m a A Mn R o a Pn i D o k
T
P
i
i t s y s t e m
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
3. 计算（计算）
较大的工作台面积 负载分配比（重量/切削力）70:30
i
i t s y s t e m
Master-Slave（齿轮-齿条传动主从消隙）
2.原理与运行模式—运行模式
黄色区域: 精加工（加速度较小） 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。 两个小齿轮扭矩方向相反— 无间隙
Vorlagen Nr.: 1097-D005821 Rev.: 02
优缺点g无间隙消除了齿面之间的间隙g更高的刚性2x单个刚性g更好的动态性能两个驱动单元同时工作g更高的精度因为更好的刚性和零间隙g可选用更小的减速箱电机齿轮齿条h成本更高2套驱动单元h更大的体积2x电机2x齿轮箱h更长的调试时间teamrapidovorlagennr
TP Ei A Mn R o a Pn i D o k
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。
双电机电气消隙
双电机电气消隙
未来数控机床的发展趋势主要是大型和重型，因而机床的行程越来越长，对精度的要求也就越来越高。
要消除齿轮齿条传动中产生的背隙，有两种方式，一是：机械消隙，二是双电机电气消隙。
机械消隙是单个电机输入两个齿轮输出的形式，目前有法国的REDEX.而双电机消隙属于双电机输入两个齿轮输出的形式。
双电机消隙目前有德国的STOBER以及台湾的SunUs等。
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，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
双电机消隙的优势。
相对于机械消隙，双电机消隙具有性能上的优势，重复定位精度可达到0.01；控制灵活，需要加大扭力是，两个电机可
以同时驱动，而两个电机反方向驱动是可消除背隙；成本控制，由于是同时使用两个伺服电机，股伺服电机的型号可选用较小的，这样成本不会高于机械消隙；双电机消隙具有良好的发展前景，由于其性能优越，精度高，成本低，在竞争日益激烈的市场中越来越受到各大厂家的青睐。
双电机消隙控制方法
双电机消隙控制方法：
机械调整方法：
确保主电机及调压电机的接线正确，并确保两者的相位差为90度。
打开主电机和调压电机的电源开关，使主电机进入待机状态，调压电机在较小功率下启动。
等待主电机转子旋转到一定程度后，调整调压电机的电压和频率，使其与主电机同步旋转。
在调整过程中，需要准确把握调压电机的运转状态及主电机转子的位置。
当主电机转子旋转到需要的位置时，调节调压电机的电压和频率，直至调压电机停止运转，此时消隙完成。
电子控制方法：
在两台伺服驱动器的电流环输入叠加方向相反的消隙转矩，在电机转速为0时，维持齿轮的消隙状态。
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。
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。
双电机消隙技术在串联机械臂中的仿真与应用
F
i
２ An
t
i
Ｇ
ba
ck
l
a
s
hp
r
o
c
e
s
sd
i
a
r
amo
f
g．
g
立了含齿隙双电机同步联动伺服系统的动力学模
力矩减小到 ０ 后,换向并逐渐增大输出力矩,这样
[
５]
型,但没有考虑传动轴的柔性,不适用于传动链长
而复杂的系统;朱 国 力 等
cm
程
：
em
tr
o.
an
or
sg.
cm
cn
es
说,会引入回 程 误 差.而 当 电 机 侧 反 向 运 动 与 负
载重新接触瞬间,会产生严重的冲击振荡和噪声,
加速齿轮的磨损,影 响 伺 服 系 统 的 跟 踪 精 度 和 定
位精度.
为消除传动 的 非 线 性 间 隙,国 内 外 科 研 人 员
对多电 机 驱 动 联 动 控 制 系 统 进 行 了 探 讨. KOＧ
２ 双电机消隙的建模与仿真
２．
１ 齿隙模型
常见的齿隙模 型 包 括 迟 滞 模 型、弹 性 死 区 模
型、冲击模型等,应根据实际应用场合的特点选取
.本文所
合适的模型.死区非线性模型是通过驱动与负载
用的串联机械臂关节轴内部传动形式为两台电机
之间的传递力矩 变 化 特 性 来 描 述 齿 隙 的,同 时 考
计等,并取得了很好的效果 [１Ｇ２].
１９９１
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
双电机消隙技术研究与仿真
0引言对于含有齿轮的单电机调速系统，由于齿轮间隙的存在和单电机的局限性，在齿轮进行传动时，使系统产生空回，同时齿隙的存在会使系统产生振荡，影响系统稳定性，应该加以改进，传统的消隙方法采用机械消隙，适用于对调速精度不高的系统。
随着控制理论的不断完善，许多学者采用在反馈回路上设计补偿器来补偿齿隙非线性影响，但是该方法只能减少齿隙的影响，为了完全消除齿隙的影响，可以采用双电机驱动的方式。
1双电机驱动系统建模双电机驱动系统是指由两个相同参数的电机输出轴分别连接一个小齿轮，两个小齿轮共同拖动大齿轮带动负载进行运动，两个电机分别由各自独立的电流环进行驱动，对于一般的双电机驱动系统，驱动电机选用两台永磁同步电机，安装示意图如图1所示，两台电机输出轴连接的小齿轮分别连接于大齿轮不同位置，带动负载转动。
图1双电机驱动系统示意图根据电机方程及大小齿轮啮合原理，建立双电机驱动系统数学模型为：（1）式中，U 1、U 2为两电机电枢电压；K e1、K e2为反电动势系数；i 1、i 2为电枢电流；R 1、R 2为电枢回路电阻；L 1、L 2为电枢回路电感；K T1、K T2为电机的力矩系数；J 1、J 2为转动惯量；b 1、b 2为等效粘滞摩擦力；K 1、K 2为大小齿轮间弹性系数；θ1、θ2为电机转角；θm 为大齿轮转角；k m 为大小齿轮传动比。
由于受到工艺、结构的限制，齿轮传动结构中难免存在着齿轮间隙，为了对其影响进行研究抑制，应建立准确的齿隙模型，本文采用死区模型来描述齿隙非线性，根据位移-力矩关系，得到齿轮间隙死区模型的数学表达式为：（2）式中，T drv 为驱动力矩；k τ为弹性系数（为各级齿轮间隙折算到最后一级处的等效值）；Δθ（t ）为相对位移；2α为齿隙大小。
得到含齿隙双电机系统结构图如图2所示。
双电机消隙技术研究与仿真冷华杰（陆军装甲兵学院，北京100072）摘要:为了消除齿轮间隙非线性环节对系统性能的影响,采用双电机消隙的方法,考虑到系统消隙性能以及工作效率,设计了动态偏置力消隙法,并进行了仿真验证,结果表明采用动态偏置力消隙法的双电机驱动系统在响应的快速性、平稳性和静态精度等方面都优于传统的液压驱动系统和单电机驱动系统,改善了传动系统中驱动延时现象,使系统的传动精度得到了大幅提升。
双电机消隙交流伺服系统在平网印花机上的应用
双电机消隙交流伺服系统在平网印花机上的应用在传统的平网印花机导带定位控制问题上，常用方案示意如图1所示:图1 传统定位控制方案示意图此方案中，主控单元接受导带每次移动距离的设定信号，根据从电机轴上编码器反馈的脉冲信号通过伺服驱动器控制伺服电机运行。
由于前后传输辊实际不可能做到直径完全相同，当前后传输辊的驱动电机转过相同的角度后，传输辊表面走过的线位移不能同，因而多次启停定位后，由于辊周长不完全相同带来的误差会得到积累，此时易引起前后传输辊受力不均匀，或使得导带发生伸引起印花位置误差。
同时，由于传输辊与伺服电机之间一般存在20"30倍的减速机构，不可避免地存在齿轮传动间隙，伺服电机快停动作会引起减速机构磨损，从而进一步加大传动间隙，使导带定位误差加大，影响了设备长期稳定运行性能。
双电机消隙交流伺服系统在高精度的速度伺服或位置、角度伺服系统(如上述平网印花机)中，由于传动机构机械加工误差和机械磨损的存在，由电机至受的传动间隙造成的误差已无法忽视，为此，人们采用消隙齿轮、自动予紧机构等办法消除这种误差，这些办法可以有效地消除传动静态误差，但在高精度快速随动系统(如高精度快速重复定位伺服控制、精密跟踪型雷达天线伺服驱动)中，电机驱动负载进行频繁即使采用机械消隙措施，由于间隙造成的瞬态误差仍难以克服。
双电机消隙交流伺服驱动系统利用两套(或多套)响应频带很宽的交系统构成联动系统，使系统在动态消除传动间隙的同时实现高速响应的随动控制。
如图2所示，两台电机分别驱动两个初级齿轮，电机与初级齿轮为直接连轴，无传动间隙，由初级齿轮至输出齿轮的各级齿轮间隙之和简化为如图2的单级传动的间隙。
消隙系统在伺服运行过程中，采用对两台电机进行联动控制，使各级齿轮始终保持单从而精确地传递力矩、速度或位移。
并且在保证无间隙传动的同时，具有良好的伺服精度和快速响应特性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
i
D o
k
i
Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
t
s
y s
2.原理与运行模式 —运行模式
t
e
m
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
20 :.ve R
128 500
2
3
D-79
01
:.r
N
ne galroV
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
t
s
y
s t
1. 电消隙结构—张力消除间隙
e
m
(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
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
Master-Slave
t
s y
2. 原理与运行模式 —图形
Load direction
s t
Master
e
m
F2M
contra flank
F2M
change over
Slave
F2S
F2M
20 :.ve R
equal flank
128 500 D-79 01 :.r N
02 ev.: R
821 005 97-D 10 r.: N en Vorlag
maXY5TE-s轴mPi 到 4 m
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
t
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
s y
3. 计算（计算）
s
t e
较大的工作台面积
负载分配比（重量/切削力）70:30
m
原因：Y轴的质量的变化（重心变化）会导致两侧运行不同步
ne galroV
F2S
TP
FE i
A M
n
2Ra io PiSn
D o
k
i
Master-Slave
t
s y
2. 原理与运行模式 —图形
s t
Master
e
m
F2M
Load direction
Contra flank
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
t
s y
3. 计算（1 ）
s
t
整个传动系统的性能决定了负载如何分配（如横梁的刚性）
e
m
非龙门式结构
高刚性要求
负载分配比（重量/切削力）50:50
龙门式结构 高刚性要求 高刚性要求
负载分配比（重量/切削力）60:40 负载分配比（重量/切削力）70:30
e
m
设计要求：两个齿轮箱之间的安装距离
a通常需要大于单根齿条的长度，这样
两个齿轮不会同时在一根齿条上工作，
否则有可能损坏齿条安装螺钉。
a
20 :.ve R
128 500 D-79 01 :.r N ne galroV
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
一 、普通齿轮-齿条传动
t
s
二 、Master-Slave ( 齿轮-齿条传动主从消隙)
y
s
t
e
m
20 :.ve R
128 500 D-79 01 :.r N ne galroV
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
齿轮-齿条传动结构形式
t
s
y s
单驱动
i
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
t
s y
1. 结构
s
t
e
m
3
2 1
两套独立的电机-齿轮箱-小
齿轮驱动单元(1) ,通过机械
联接(横梁2),在两侧不同的齿
3
条上啮合 (3) .
(比如:Z轴、X轴)
1
20 :.ve R
128 500 D-79 01 :.r N ne galroV
TP
Ei
A M
n
i
R a
t
s
y
s t
2. 原理与运行模式 —原理
e
m
Master Slave
Master: 主动单元
Slave: 从动单元，用于与主动 单元之间产生张力
02 ev.: R 821 005 97-D 10 r.: N en Vorlag
Pre-load torque 张力 Master Slave
TP
Ei
A M
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
Master-Slave
t
s y
2. 原理与运行模式 —消隙运行过程
s
t
e
m
位置一
位置 1: 从动小齿轮改变贴合齿面 -改变过程中没有间隙 -系统刚性临时减低
齿面切换
02 ev.: R 821 005 97-D 10 r.: N en Vorlag
位置 2: 主动小齿轮改变贴合齿面 -改变过程中无间隙 -系统刚性临时减低 位置二
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
t
s y
1. 主从电消隙整体结构结构
s
t
e
m
(1)两套相同的电机-齿轮箱-小 齿
轮。
controller
4
(2)（3）通过机械结构联接 ，在 同一根齿条上啮合。
（4）两个单元由同一个驱动器控
制（master-slave)。
齿轮箱自身的间隙。
(2)张力大小由切削力的大小决定。
1
20 :.ve R
128 500
2
3
D-79
01
:.r
N
ne galroV
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
Master-Slave （齿轮-齿条传动主从消隙）
t
s
y
s t
1. Design - electrical pre-loaded
龙门式双驱动
单边消隙
龙门式双边消隙
t
e
m
结构
间隙
有间隙
有间隙
无间隙
无间隙
应用领域
普通定位精度
较大的移动重量
高定位精度 驱动部分零间隙
高定位精度 机械 驱动部分零间隙
较大的移动重量
02 ev.: R
821 005 97-D 10 r.: N en Vorlag
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
02
ev.:
R 821
高加速度 a, 高重量 m ,短间距 s
005
97-D 10 r.: N
en Vorlag
TP
Ei
A M
n
i
R a
o
Pn
i
D o
k
i
齿轮-齿条传动（龙门移动式）
t
s y
4. 应用
s
t
e
- 龙门移动式加工中心
m
- 激光切割机
02 ev.: R
821 005 97-D 10 r.: N en Vorlag