机械与电气消隙
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.。
排除机械电子设备中电气干扰的主要措施探究
排除机械电子设备中电气干扰的主要措施探究电气干扰是指电子设备运行时，由于设备内部或外部的电源或信号干扰，导致设备出现不正常运行或故障的现象。
为了排除机械电子设备中电气干扰，需要采取一系列措施来保证设备的正常运行。
以下是排除电气干扰的主要措施。
要在设计和布局阶段考虑到电气干扰的问题。
合理的布局设计可以减少设备之间的电磁干扰。
将电源线和信号线分开布置，尽量减少线路之间的交叉和平行。
还可以采用屏蔽措施，如金属屏蔽罩、金属导线和屏蔽电缆等，来减少外界电气干扰对设备的影响。
要选择合适的电源滤波器和隔离器。
电源滤波器可以过滤掉电源中的杂波和噪声，保证电流的稳定性和纯净性。
隔离器可以起到隔离设备之间的电流回路，防止电流的相互干扰。
设计合理的接地系统。
良好的接地系统可以有效地排除设备内部和外部的电流回路干扰。
在设计接地系统时，需要考虑接地电阻、接地线材以及接地点的选择等因素，以确保接地系统的有效性。
第四，使用抗干扰元器件和材料。
选择具有良好抗干扰性能的元器件和材料，可以减少电气干扰的影响。
选用电阻器、电容器和滤波器等具有抗干扰功能的元器件，可以有效地抑制电磁波和噪声的传播和干扰。
第五，要进行严格的测试和检测。
在设备制造完成后，需要对设备进行严格的测试和检测，以保证其正常运行，并及时发现和排除电气干扰的问题。
常用的测试方法包括EMC测试、故障模式与影响分析（FMEA）等。
要进行设备的维护和保养。
定期检查和保养设备，可以及时发现并解决设备中的电气干扰问题，减少设备故障的发生。
常用的维护措施包括清洁设备内部和外部的灰尘和杂物，及时更换老化的元器件和电缆，以及修复和加强设备的屏蔽罩和接地系统等。
排除机械电子设备中的电气干扰是一个复杂的问题，需要从设备的设计、布局、选材、测试、维护等多个方面加以控制和处理。
只有通过综合措施的运用，才能保证设备的正常运行和长期稳定性。
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。
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。
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消隙原理
在两个减速机带着齿轮工作的整个过程中，两个齿 轮始终存在相反的两个力，从而消除了减速机的背 隙及齿轮与齿条的间隙。
一个电机作为主动力驱动时，另一个电机给出一个反 向力，以达到消隙的效果。
安装调试
单纯机械部分的连接，减速机与齿条啮合后，将计 算好的机械力加载到减速机中，就完成了消隙系统 的调试安装。
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
消隙原理
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives First : 预加载力的双齿轮输出
解决了齿轮与齿条间的反向间隙
电气或者机械消隙形式
DRP+ & KRP+ products
tor o M
Mechanical loop
Rack
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
电气消隙形式 : 一个电机带动一个齿轮输出
⇒ TwinDRIVE
机械预载形式 : 一个电机带动两个齿轮输出
⇒ DualDRIVE
DRP+ & KRP+ products
缺点
TwinDRIVE (电气消隙形式) - 两个齿轮可以同时驱动 (*) - 对齿条的精度要求不高 - 电机和控制系统 成本高 - 安装和维护需要专业的 电气工程师
(*) 对减速机要求低
优点
- 只有一个驱动轮
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
机械预载形式 :
Torque
A方向旋转
100% 100%
50%
50%
静止
静止
齿轮1的预加载力
Torque
Time (s)
-50%
静止
-50%
静止
齿轮2的预加载力
-100%
100%
B方向旋转
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
TwinDRIVE 电气消隙形式
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
机械预载形式 :
⇒ DualDRIVE
Keq
K2
K1
驱动齿轮的扭力 : 制动齿轮的扭力 :
Tp : 2个齿轮所分享的预紧力 T : 齿轮的启动力矩
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
机械预载的安装
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
预加载机械力 : 1- 将特制的工具插入连 接器
3- 固定连接器，将两 个减速机连接起来
2- 计算好的 力加载到 系统中
Motor
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
DualDRIVE : 专利： 机械预载系统 3- 加载计算好的力
4- 固定连接器
2- 将特制工具插入连接 器 1- 松开连接器
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
预加载力
齿轮
2
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
机械预载系统在机床上的安装
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
DualDRIVE 预负载: 可以向不同的方向加载预负载.
如果机床上同时使用两台DualDRIVE减速机 , 请检查好他们 是不是向着同一个方向加载的预负载，只有edex Rack&Pinion drives
电气消隙类型 B:
另一种电气消隙的方法是 : 运用制动齿轮，一个制动力恒定的保持在启动的整个过程中，工 作时它被应用为驱动力。
如果 (P1;P2) > T ; 可能是减速机选择太大了
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
Ultimate backlash free
电气消隙类型 B:
运用永久制动力的预加载形式 :
Torque
120% 100%
齿轮1上的力
20%
-20%
Time (s)
齿轮2上的力
-100%
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
分析 :
DualDRIVE (机械预载形式) - 电机和控制系统 成本低 - 安装维护比较简单 - 对齿条的精度要求比 较高
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
电气消隙类型 A:
永久的预加载力 Tp :
Torque
预加载力的转换
100% 80%
预加载力的解除
齿轮1上的力
30% 20%
静止
-30%
静止
Time (s)
齿轮2上的力
-100%
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives Second : 机械的闭环形式
消除了电机到齿轮之间的所有背隙
tor Mo
k ac R
Mechanical loop
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives Second :机械的闭环形式
消除了电机到齿轮之间的所有背隙
机械部分的安装也很简单，只需要做好电机与减速机 的联结、齿轮与齿条的啮合；重点是电气部分的调 试，要通过电气控制实现同步、消隙、驱动等各项功 能。 比较复杂，需要专业的电气工程师来实现
系统维护
简单，普通安装工人就可完成
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
Redex Rack&Pinion drives
DualDRIVE: 机械预载形式
机械预载产品DualDRIVE 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。 这种消隙系统只需要一 个电机来驱动，并且不 需要特别的电机控制器。 这种预加载力的消隙形 式是REDEX的专利产品。
机械与电气消隙系统的对比
消隙形式 连接形式 机械预载形式 单入双出（一个电机输入两个齿轮输出） 电气消隙形式 双入双出（两个电机输入两个齿轮输出）
系统要求
任意系统。对硬件有所要求，齿轮齿条精度越高定 位精度越高、消隙效果越好。
目前所能实现的系统只有西门子的840D。对硬件要求 稍低，精度和消隙的效果主要通过电气补偿来实现。
电气预载TwinDRIVE的消隙 原理是将其中一个齿轮做制 动处理，从而取得预加载力。 也就是说，一个齿轮驱动一 个齿轮制动，从而消除减速 机及齿轮齿条的背隙。 这种形式要求两台电机和一 个特别的电机控制器来处理 预加载力。
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
机械预载系统
机械预载的设置 : n 预负载 = 50% 的额定力矩
n
均分预加载力
K K
K
K
在运行的过程中始终保 持齿面的良好接触
DRP+ & KRP+ products
Redex Rack&Pinion drives
机械预载系统
Output Torque 100 %
最大使用力矩
齿轮
50 %
1
驱
动
力
电气消隙类型 A:
有几种方法可以来设置电气预载 : 一种是和机械预载类似的形式， 加载一 个永久的预载力 Tp :
If Tp = 100% of Tmax ⇔ 类似机械预载
If Tp < 100% of Tmax
⇔ ⇔ ⇔
1/ 两个齿轮均作为驱动轮 2/ 减速机的要求低 3/ (P1 ; P2) < T ，可能是齿轮箱选择小了