The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics (전력전자학회논문지)

The Korean Institute of Power Electronics (전력전자학회)
권호 표지

A Nonlinear Friction Torque Compensation of Servo System with Double Speed Controller

이중 속도 제어 구조에 의한 서보 제어기의 비선형 마찰 토크 보상

  • Published : 2004.12.01
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Abstract

Servo motor systems with ball-screw and timing-belt are widely used in NC, robot, FA and industrial applications. However, the nonlinear friction torque and damping effect in machine elements reduce the control performance. Especially tracking errors in trajectory control and very low velocity control range are serious due to the break-away friction and Stribeck effects. In this paper, a new double speed controller is proposed for compensation of the nonlinear friction torque. The proposed double speed controller has outer speed controller and inner friction torque compensator. The proposed friction torque compensator compensates the nonlinear friction torque with actual speed and speed error information. Due to the actual information for friction torque compensator without parameters and mathematical model of motor, proposed compensator is very simple structure and the stability is very high. The proposed compensator is verified by simulation and experimental results.

회전형 전동기와 볼스크류 및 타이밍 벨트를 이용한 서보 시스템은 NC, 가공기, 로봇 및 공장 자동화를 포함하여 산업 시스템 전반에 널리 사용되고 있다. 하지만, 동력의 전달에서 발생하는 비선형적인 마찰 및 댐핑현상은 제어 시스템 전체의 성능을 감소시키고, 특히 저속 정역 운전에서 그 영향이 크게 나타난다. 본 논문에서는 서보 제어시스템에서 발생하는 비선형적인 마찰 토크의 보상을 위해 가중치를 가지는 이중 제어 구조를 적용하였다. 본 논문에서 제안된 이중 제어 구조는 서보 제어 시스템에서 널리 사용되는 PI 속도 제어기 내부에 비선형적인 마찰 토크의 영향을 보상하는 내부 제어기를 가지는 구조이다. 특히, 내부의 제어기는 마찰 토크에 의한 시스템의 속도오차에 대하여 가중치를 가지는 구조로 설계되어 있고, 제어기의 이득은 외부 속도 제어기의 이득에 대하여 비례적으로 적용되므로, 안정성이 매우 높고 구조가 매우 간단하다. 본 논문에서 제안된 이중 제어 구조에 의한 비선형 마찰 토크 보상 방식은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 성능을 검증한다.

Keywords

References

  1. B. Annstron-Helouvry, P. Dupont and C. Canudas de Wit, 'A survey of models, analysis tools and compensation methods for the control of machines with friction', Automatica, Vol. 30. pp. 1083-1138, 1994
  2. R. H. A. Hensen, Marinus J. G. van de Molengraft and Maarten Steinbuch, 'Frequency Domail Identification of Dynamic Friction Model Parameters', IEEE Transactions on Control System Technology, Vol. 10. No.2, pp. 191-196, March, 2002 https://doi.org/10.1109/87.987064
  3. G. T. Johnson and R. D. Lorenz，'Experimental identification of friction and it's compensation in precise, position controlled mechanism', IEEE Trans. Ind. Application, Vol. 28, pp. 1392 -1398, Nov./Dec. 1992
  4. C. Canudas, K. J. Astrom and K. Braun, 'Adaptive friction compensation in DC motor drive', IEEE J. Robot. Automation, Vol. 3, pp. 681-685, Dec. 1987
  5. C. D. Wit, H. Olsson, K.J. Astrom and P. Lischinsky, 'A new model for control of system with friction', IEEE Trans. Automat. Control, Vol. 40, pp. 419-425, Mar. 1995
  6. M. Iwasaki, Y. Kitoh and N. Matsui, 'Analysis and Performance Improvement of Motor Speed Control System with Nonlinear Friction', Trans. on IEE Japan, Vol. 116-C, No.1, pp. 96-102, 1996
  7. M. Iwasaki and N. Matsui, 'Observer-Based Nonlinear Friction Compensation in Servo Drive System', AMC'96-MlE, pp. 344-348，1996
  8. M. K. Ciliz and M. Tomizuka, 'Modeling and Compensation of Frictional Uncertainties in Motion Control : A Neural Network Based Approach', Proc. of 1995 American Control Conference, No. FA13, pp. 3269- 3273, 1995
  9. Petr Moreton, Industrial Brushless Servomotors, Newnes, A division of Reed Educational and Professional Publishing Ltd. 2000
  10. Boulter, B. T., 'The Effect of Speed Loop Bandwidths and Line-speed on System Natural Frequencies in Multi-span Strip Processing Systems', IEEE LAS Conference Proceedings, New Orleans, LA, Oct., pp. 2157 -2164, 1997