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

針對各種擾動信號設(shè)計擾動觀測器并在伺服控制系統(tǒng)中進行補償是一種減少擾動影響、進而提高系統(tǒng)魯棒性的辦法。國內(nèi)外許多學者針對伺服控制中擾動信號，進行了補償控制方法研究。KIM等設(shè)計了一個模糊擾動觀測器，用于多輸入多輸出系統(tǒng)的反饋跟蹤控制，將模糊擾動觀測器用于永磁同步電機的速度控制;ＲYOO等設(shè)計了一個魯棒擾動觀測器，在光盤驅(qū)動器系統(tǒng)的磁道跟蹤控制中進行了實驗;LU等采用滑模重復控制理論研究了擾動信號觀測器;董明曉等結(jié)合混合靈敏度設(shè)計方法，設(shè)計了數(shù)控機床伺服H∞魯棒控制器。

文中分析了噪聲擾動對伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響，提出了一種針對噪聲擾動信號觀測與補償?shù)目刂品椒?通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓和伺服電機轉(zhuǎn)動角位移，將噪聲擾動觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。針對典型鋸齒波噪聲擾動信號做了仿真試驗。

數(shù)控伺服系統(tǒng)模型以及電氣擾動影響

帶噪聲擾動的半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)方框簡圖。設(shè)來自插補器的位置指令信號為X(s)，伺服電機角位移輸出信號為Y(s)，設(shè)位置控制環(huán)節(jié)采用比例控制，傳遞函數(shù)為噪聲擾動信號產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差與擾動信號本身有關(guān)，還與N(s)在進給伺服系統(tǒng)中作用點之前的部分有關(guān)。

噪聲擾動觀測與補償方法

進給伺服系統(tǒng)中，加入噪聲擾動觀測和補償環(huán)節(jié)。如圖2所示，通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓信號和伺服電機轉(zhuǎn)動角位移，將擾動信號N(s)觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。

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

噪聲擾動觀測與補償方法仿真

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。對噪聲擾動進行觀測補償仿真研究時，設(shè)位置指令輸入信號為2sin(0.4πt);噪聲擾動為鋸齒波信號，幅值為0.5，周期為2s。

當不考慮噪聲擾動信號時，伺服進給系統(tǒng)的跟蹤誤差如圖4所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.006mm范圍內(nèi);當加入噪聲擾動信號但不進行擾動觀測與補償時，跟蹤誤差如圖5所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.02mm范圍內(nèi);當采用文中噪聲擾動觀測與補償方法后，跟蹤誤差如圖6所示，系統(tǒng)跟蹤誤差在±0.007mm范圍內(nèi)。對比說明所研究噪聲擾動觀測與補償方法，可有效提高伺服進給系統(tǒng)的抗干擾能力。

結(jié)論

噪聲信號無處不在，在數(shù)控機床伺服系統(tǒng)驅(qū)動器接口處，噪聲擾動包括由溫度變化引起的漂移以及各種電氣擾動信號等。各種噪聲擾動信號必然會降低伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。文中不是從硬件，而是從軟件補償角度，設(shè)計了一種針對噪聲擾動的觀測與補償方法:通過檢測加到伺服驅(qū)動器上的電壓和伺服電機轉(zhuǎn)動角位移，將噪聲擾動觀測出來，并將擾動補償量疊加到位置控制器輸出中實現(xiàn)補償。針對典型鋸齒波擾動信號的仿真表明:所提出觀測與補償方法能有效提高跟蹤精度，提高系統(tǒng)抗干擾能力。該方法是對硬件抗擾動技術(shù)的一個有益補充。