Компенсация сил трений на основе динамических моделей в синхронном электроприводе мехатронного робототехнического модуля

Компенсация сил трений на основе динамических моделей в синхронном электроприводе мехатронного робототехнического модуля

Жуков Юрий Александрович
старший преподаватель кафедры И8 «Системы приводов, мехатроника и робототехника», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова), 190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-7552-2899

Кисeлев Алексей Александрович
начальник сектора «Разработки алгоритмического обеспечения», Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК), 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., д. 21, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Надежин Михаил Игоревич
начальник сектора «Проектирования мехатронных систем специального назначения», ЦНИИ РТК, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., д. 21, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Сафронова Наталия Николаевна
к.э.н., заместитель генерального директора, Ассоциация организаций строительного комплекса атомной отрасли (АСКАО), 117485, Москва, ул. Обручева, д. 30/1, СТР. 1, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Индекс УДК: 681.5

EDN: XLFYBH

Аннотация. В работе представляется обзор динамических моделей трений, с помощью которых решается задача компенсации сил трений при управлении приводом мехатронного робототехнического модуля на базе трехфазного синхронного двигателя с постоянными магнитами. Трения описываются на основе нелинейных дифференциальных уравнений с одной переменной состояния в форме модели ЛуГре и модели упругопластических трений, а также с несколькими переменными состояния в форме обобщенной модели скольжения Максвелла. Определяется модель мехатронного исполнительного привода с упругой трансмиссией на основе синхронного двигателя с учетом двух первых гармоник фазных и взаимных индуктивностей обмоток. Представляются параметры привода и моделей трений. Описывается полеориентированный пропорционально-интегрально-дифференциальный алгоритм управления приводом с компенсацией моментов трений. Описывается имитационная модель системы управления приводом, созданная в среде математического моделирования Matlab с помощью блоков Matlab-function и S-function, в которых соответственно реализуются уравнения состояния аналоговой части и дискретные алгоритмы регуляторов токов и положения. Демонстрируются результаты моделирования цифровой системы управления исполнительным приводом в гармоническом режиме перемещения с малыми амплитудами. На основе представленных динамических моделей оценивается качество компенсации трений по значениям амплитудных, средних и относительных ошибок. Отмечается, что компенсация трений позволяет на порядок снизить ошибки регулирования в режимах движения с околонулевыми скоростями, обеспечивая повышение качества прецизионных систем управления приводами. Наилучшие результаты демонстрируются на основе компенсации с помощью обобщенной модели скольжения Максвелла и модели упругопластических трений.

Ключевые слова: компенсация трений, модель ЛуГре, модель упругопластических трений, обобщенная модель Максвелла, мехатронный модуль, привод, прецизионное управление, моделирование

Для цитирования: Компенсация сил трений на основе динамических моделей в синхронном электроприводе мехатронного робототехнического модуля / Ю.А. Жуков [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 13. – № 4. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2025. – С. 309-320. – EDN: XLFYBH.

Благодарности
Работа выполнена в рамках проекта «Создание технологии проектирования и изготовления электромеханических манипуляционных систем двустороннего действия для работы в высоких полях ионизирующего излучения» (FNRG-2025-0014) 1024061000015-8-2.2.2 в рамках государственного задания № 075-00553-25-02 от 28.03.2025.

Список источников

  1. Siciliano B. Springer Handbook of Robotics / Siciliano B., Khatib O. – 2016. – 2259 p. DOI: 10.1007/978-3-319-32552-1. – Text: electronic.
  2. Rafaq M.S. A Review of the State of the Art of Torque Ripple Minimization Techniques for Permanent Magnet Synchronous Motors / Rafaq M.S., Midgley W., Steffen T. // IEEE Transactions on Industrial Informatics. – 2024. – Vol. 20, No 1. – Pp. 1019-1031. DOI: 10.1109/TII.2023.3272689. – Text: electronic.
  3. Chen R. Induction Motors and Permanent Magnet Motors in Electric Vehicles: Characteristics and Development Trends / Chen R., Tong T. // 2023 International Conference on Internet of Things, Robotics and Distributed Computing (ICIRDC). – 2023. – Pp. 221-224. DOI: 10.1109/ICIRDC62824.2023.00046. – Text: electronic.
  4. Lewis F.L. Robot Manipulator Control: Theory and Practice / Lewis F.L., Dawson D.M., Abdallah C.T. // CRC Press. – 2003. – 638 p. DOI: 10.1201/9780203026953. – Text: electronic.
  5. Huang S. Intelligent Friction Compensation: A Review / Huang S., Liang W., Tan K.K. // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. – 2019. – Vol. 24, No. 4. – Pp. 1763-1774. DOI: 10.1109/TMECH.2019.2916665. – Text: electronic.
  6. Серебренный В.В. Математическая модель исполнительных модулей захватных устройств роботов / В.В. Серебренный, А.А. Бошляков, А.И. Огородник // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2019. – № 6. – С. 123-135. DOI:10.34031/article_5d079791aeaae3.67485144. – Текст: электронный.
  7. Hess D.P. Friction at a lubricated line contact operating at oscillating sliding velocities / Hess D.P., Soom A. // Transactions ASME J. Tribology. – 1990. – Vol. 112, No 1. – Pp. 147-152. – DOI:10.1115/1.2920220. – Text: electronic.
  8. Dahl P. A solid friction model. Technical Report TOR-0158H3107 18I-1 // E1 Segundo, CA: The Aerospace Corporation. – 1968. – Text: unmediated.
  9. Astrom K. Revisiting the LuGre friction model: Stick-slip motion and rate dependence / Astrom K., Canudas-de-Wit C. // IEEE Control Systems Magazine. – 2008. – Vol. 28. – Pp. 101-114. DOI:10.1109/MCS.2008.929425. – Text: electronic.
  10. Single State Elasto-Plastic Friction Models / Hayward  V. [et al.] // IEEE Transactions on Automatic Control. – 2002. – Vol. 47, No. 5. – Pp. 787-792. DOI:10.1109/TAC.2002.1000274. – Text: electronic.
  11. Al-Bender F. The generalized Maxwell-slip model: A novel model for friction simulation and compensation / Al-Bender F., Lampaert V., Swevers J. // IEEE Trans. Autom. Control. – 2005. – Vol. 50, No. 11. – Pp. 1883-1887. DOI: 10.1109/TAC.2005.858676. – Text: electronic.
  12. Advanced Motion Control of Hydraulic Manipulator With Precise Compensation of Dynamic Friction / Xia Y. [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Informatics. – 2024. – Vol. 20, No. 7. – Pp. 9375-9384. DOI: 10.1109/TII.2024.3384600. – Text: electronic.
  13. Wang C. A Novel Friction Compensation Method Based on Stribeck Model With Fuzzy Filter for PMSM Servo Systems / Wang C., Peng J., Pan J. // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2023. – Vol. 70, No. 12. – Pp. 12124-12133. DOI: 10.1109/TIE.2022.3232667. – Text: electronic.
  14. Жуков Ю.А. Моделирование трения в линейном приводе системы управления гексаподом космического назначения / Ю.А. Жуков, М.И. Надежин // VIII межд. науч.-техн. инт.-конф. молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии»: материалы. Омск. – 2018. – С. 134-142. EDN: VKDVJH.
  15. Dynamic friction modeling and identification for high precision mechatronic systems / Büchner S. [et al.] // IECON 2012 - 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. – 2012. – Pp. 2263-2268. DOI:10.1109/IECON.2012.6388884. – Text: electronic.
  16. Keck A. Friction parameter identification and compensation using the ElastoPlastic friction model / Keck A., Zimmermann J., Sawodny O. // Mechatronics. – 2017. – Vol. 47. – Pp. 168-182. DOI:10.1016/j.mechatronics.2017.02.009. – Text: electronic.
  17. A Smoothed GMS Friction Model Suited for Gradient-Based Friction State and Parameter Estimation / Boegli M. [et al.] // IEEE/ASME Transactions on mechatronics. – 2014. – Vol. 19, No 5. DOI: 10.1109/TMECH.2013.2288944. – Text: electronic.
  18. Adaptive Neural Backstepping Control for Harmonic Drive System Based on Modified LuGre Friction Model / Xia Y. [et al.] // IEEE Access. – 2023. – Vol. 11. – Pp. 96093-96102. DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3311714. – Text: electronic.
  19. Friction Identification and Compensation for SPMSM Using Robust Adaptive Observer / Tang С. [et al.] // In IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2024. – Vol. 12, No 5. – Pp. 4754-4766. DOI: 10.1109/JESTPE.2024.3435474. – Text: electronic.
  20. End-Effector Trajectory Tracking Control of Stacking Robot Based on LuGre Model / Gu C. [et al.] // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. – 2025. – Pp. 1-12. DOI: 10.1109/TMECH.2024.3524590. – Text: electronic.
  21. Zhang X. Neural Network Based Friction Compensation of Motion Control on A 6-DoF Robot Manipulator / Zhang X., Chen L. // 2022 5th International Conference on Mechatronics, Robotics and Automation (ICMRA), Wuhan, China. – 2022. – Pp. 14-18. DOI: 10.1109/ICMRA56206.2022.10145700. – Text: electronic.
  22. Tjahjowidodo T. FRICTION IDENTIFICATION AND COMPENSATION IN A DC MOTOR / Tjahjowidodo T., Al-Bender F., Van Brussel H. // IFAC Proceedings Volumes. – 2005. – Vol. 38, Is. 1. – Pp. 554-559. DOI:10.3182/20050703-6-cz-1902.00093. – Text: electronic.
  23. Bida V.M. PMSM vector control techniques – A survey / Bida V.M., Samokhvalov D.V., Al-Mahturi F.S. // 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). – 2018. – Pp. 57-581. DOI: 10.1109/EIConRus.2018.8317164. – Text: electronic.
  24. Калачёв Ю.Н. SimInTech: моделирование в электроприводе. М.: ДМК Пресс. – 2021. – 106 с. – https://djvu.online/file/WO6vC4GDffWdE. – Текст: электронный.
  25. Astrom K.J. Advanced PID Control / Astrom K.J., Hagglund T. // Department of Automatic Control Lund Institute of Technology Lund University ISA, Research Triangle Park, North Carolina. – 2006. – https://skoge.folk.ntnu.no/puublications_others/books/Åstrom-2006_Advanced%20PID%20Control/Front%20Matter.pdf. –Text: electronic.

Поступила в редакцию 01.06.2025
Поступила после рецензирования 18.06.2025
Принята к публикации 15.10.2025