噪聲通常定義為信號(hào)中的無(wú)用成分，噪聲無(wú)處不在。在數(shù)控機(jī)床及其周圍環(huán)境中，噪聲擾動(dòng)是不可避免的，噪聲擾動(dòng)包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動(dòng)信號(hào)等。各種噪聲擾動(dòng)信號(hào)必然會(huì)降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。在數(shù)控機(jī)床控制柜中，一般采用接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)來(lái)消除噪聲擾動(dòng)信號(hào)的影響。

　　針對(duì)各種擾動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器并在伺服控制系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償是一種減少擾動(dòng)影響、進(jìn)而提高系統(tǒng)魯棒性的辦法。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)伺服控制中擾動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行了補(bǔ)償控制方法研究。KIM 等設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊擾動(dòng)觀測(cè)器，用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反饋跟蹤控制，將模糊擾動(dòng)觀測(cè)器用于永磁同步電機(jī)的速度控制; ＲYOO 等設(shè)計(jì)了一個(gè)魯棒擾動(dòng)觀測(cè)器，在光盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的磁道跟蹤控制中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn); LU等采用滑模重復(fù)控制理論研究了擾動(dòng)信號(hào)觀測(cè)器;董明曉等結(jié)合混合靈敏度設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床伺服 H∞魯棒控制器。

　　文中分析了噪聲擾動(dòng)對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響，提出了一種針對(duì)噪聲擾動(dòng)信號(hào)觀測(cè)與補(bǔ)償?shù)目刂品椒? 通過(guò)檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，將噪聲擾動(dòng)觀測(cè)出來(lái)，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。針對(duì)典型鋸齒波噪聲擾動(dòng)信號(hào)做了仿真試驗(yàn)。

1 數(shù)控伺服系統(tǒng)模型以及電氣擾動(dòng)影響

　　圖 1 為帶噪聲擾動(dòng)的半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)方框簡(jiǎn)圖。設(shè)來(lái)自插補(bǔ)器的位置指令信號(hào)為 X( s) ，伺服電機(jī)角位移輸出信號(hào)為 Y( s) ，設(shè)位置控制環(huán)節(jié)采用比例控制，傳遞函數(shù)為

　　從式 ( 1) 看出: 噪聲擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差與擾動(dòng)信號(hào)本身有關(guān)，還與 N( s) 在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中作用點(diǎn)之前的部分有關(guān)。

2 噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法

　　在圖 1 所示的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，加入噪聲擾動(dòng)觀測(cè)和補(bǔ)償環(huán)節(jié)。如圖 2 所示，通過(guò)檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓信號(hào)和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，將擾動(dòng)信號(hào)N( s) 觀測(cè)出來(lái)，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

圖 2 噪聲擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償

　　由式( 3) —( 5) 可得加入噪聲擾動(dòng)以及觀測(cè)與補(bǔ)償器后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) G( s) ，與式 ( 2) 完全一致，說(shuō)明圖 2 所示針對(duì)噪聲擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償方法可以補(bǔ)償擾動(dòng)影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

3 噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法仿真

　　圖 2 中 Ga(s) 為位置控制器環(huán)節(jié)，采用 PID 控制，比例系數(shù)為 8. 1，積分系數(shù)為 0. 002，微分系數(shù)為 0. 032。對(duì)噪聲擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)補(bǔ)償仿真研究時(shí)，設(shè)位置指令輸入信號(hào)為 2sin( 0. 4πt) ; 噪聲擾動(dòng)為鋸齒波信號(hào)，幅值為 0. 5，周期為 2 s，如圖 3 所示。

圖 3 典型鋸齒波擾動(dòng)信號(hào)

圖 4 未加擾動(dòng)信號(hào)時(shí)跟蹤誤差

　　當(dāng)不考慮噪聲擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟蹤誤差如圖 4 所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在 ± 0. 006 mm 范圍內(nèi); 當(dāng)加入噪聲擾動(dòng)信號(hào)但不進(jìn)行擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償時(shí)，跟蹤誤差如圖 5 所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在 ± 0. 02mm 范圍內(nèi); 當(dāng)采用文中噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法后，跟 蹤 誤 差 如 圖 6 所 示，系 統(tǒng) 跟 蹤 誤 差 在± 0. 007 mm 范圍內(nèi)。對(duì)比說(shuō)明所研究噪聲擾動(dòng)觀測(cè)與補(bǔ)償方法，可有效提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖 5 加擾動(dòng)信號(hào)未補(bǔ)償時(shí)跟蹤誤差

4 結(jié)論

　　噪聲信號(hào)無(wú)處不在，在數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器接口處，噪聲擾動(dòng)包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動(dòng)信號(hào)等。各種噪聲擾動(dòng)信號(hào)必然會(huì)降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。文中不是從硬件，而是從軟件補(bǔ)償角度，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)噪聲擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償方法: 通過(guò)檢測(cè)加到伺服驅(qū)動(dòng)器上的電壓和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，將噪聲擾動(dòng)觀測(cè)出來(lái)，并將擾動(dòng)補(bǔ)償量疊加到位置控制器輸出中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。針對(duì)典型鋸齒波擾動(dòng)信號(hào)的仿真表明: 所提出觀測(cè)與補(bǔ)償方法能有效提高跟蹤精度，提高系統(tǒng)抗干擾能力。該方法是對(duì)硬件抗擾動(dòng)技術(shù)的一個(gè)有益補(bǔ)充。