学术研究报告：基于扰动观测器的伺服电机与机床精密控制与补偿研究

一、研究团队与发表信息
本研究的作者包括Wei-Sheng Huang、Chun-Wei Liu、Pau-Lo Hsu（IEEE会员）及Syh-Shiuh Yeh，分别来自台湾国立交通大学电气与控制工程学系及台北科技大学机械工程系。研究发表于2010年1月的《IEEE Transactions on Industrial Electronics》第57卷第1期，标题为“Precision Control and Compensation of Servomotors and Machine Tools via the Disturbance Observer”。

二、学术背景与研究目标
计算机数控（CNC, Computerized Numerical Control）机床是现代制造业中高度集成的机电系统，但其运动精度常受建模误差、参数变化、摩擦及测量误差等不确定性的影响。这些不确定性可能表现为线性或非线性特性，导致轮廓加工（contouring）中的圆度误差（roundness error）等问题。
本研究旨在通过状态空间扰动观测器（Disturbance Observer, DOB）解决伺服电机在速度环和电流环中的参数变化与电流测量误差问题，并提出自动调参（autotuning）流程以实时识别电机参数变化。此外，研究将DOB与非线性摩擦补偿（Nonlinear Friction Compensation, NFC）结合，应用于高精度机床，以抑制滑移-黏滞效应（slip-stick effect），最终显著提升轮廓加工精度。

三、研究流程与方法
1. 扰动观测器（DOB）设计与建模
- 目标：估计并补偿伺服电机速度环中的参数变化（如惯量J、粘滞系数b）和外部扰动（如负载扭矩）。
- 方法：
- 基于电机机械方程（式5）建立状态空间模型（式8），将扰动作为扩展状态变量（式3）。
- 设计DOB增益矩阵L（式4），通过离散化处理（式7）实现实时估计。
- 实验平台：采用Tamagawa 400W伺服电机，配备17位编码器，算法在TI DSP 2812微控制器上实现。
- 创新点：DOB输出直接反馈至电流指令（图1），实现扰动补偿，同时通过输出信号量化参数变化（式11、14）。

1. 参数自动调参（Autotuning）

   • 流程：
     
     • 在恒定速度下识别粘滞系数b（式9-11）；在加减速阶段识别惯量J（式12-14）。
       
     • 通过积分自适应算法（式15）动态更新参数，实验验证了额外惯量（2.4J和4.3J）下的调参效果（图4）。
       
   • 结果：6秒内完成9次学习循环，参数收敛且控制性能恢复（图5）。
     

2. 扭矩脉动抑制

   • 问题：三相电流测量偏差（如偏置δb、增益失配）导致扭矩脉动（torque ripple），表现为转速相关的频率分量（20Hz和40Hz，图6-7）。
     
   • 解决方案：DOB结合PI控制器，抑制脉动无需依赖转速指令（图8-9），带宽达1000 rad/s。
     

3. 机床摩擦补偿（NFC）

   • 摩擦建模：通过稳态电流测量拟合非线性摩擦曲线（图12），分速度区间建立多项式模型（式24-25）。
     
   • 补偿结构：NFC以前馈形式注入电流指令（图11），仅在速度>1 r/min时激活以避免零速振荡。
     
   • 实验验证：在Dyna DM1007数控机床上测试，圆度误差从13.3μm降至2.0μm（图13-14）。
     

四、主要研究结果
1. DOB性能：成功估计参数变化（图3），粘滞系数误差δb和惯量误差δj分别通过式11和14量化，补偿后速度环稳定性显著提升。
2. 扭矩脉动抑制：FFT分析显示20Hz和40Hz分量被有效抑制（图9），验证了DOB对电流测量误差的鲁棒性。
3. 摩擦补偿效果：NFC使机床在负载（16kg）和高速（2400 mm/min）下保持低圆度误差（图15），且重复性优于传统PI控制（图16）。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出了一种基于状态空间DOB的统一框架，可同时处理参数变化、外部扰动和非线性摩擦。
- 通过自动调参和NFC，实现了高精度机电系统的自适应控制。
2. 应用价值：
- 在工业伺服系统和数控机床中，该方法可直接提升加工精度，尤其适用于高动态响应场景。
- 实验证明圆度误差降低84%，为制造业提供了可落地的解决方案。

六、研究亮点
1. 方法创新：
- 首次将DOB与NFC集成，解决了线性观测器对非线性摩擦补偿的局限性。
- 自动调参流程简化了现场调试，提升了系统适应性。
2. 工程意义：
- 所有算法均基于低成本DSP实现，具备工业化潜力。
- 研究覆盖从电机到机床的全链条控制，具有系统性贡献。

七、其他价值
研究还探讨了不同负载和速度下的鲁棒性（图15），为后续研究（如几何误差补偿）提供了基础。参考文献中对比了多种扰动观测器（如[8]-[11]），凸显了本研究的综合优势。