Accelerometer - Enhanced Speed Estimation for Linear - Drive Machine Tool Axes

Abstract

Machine-tool axes for high-speed machining make great demands on the mechanical system, the actuators, and the numerical control. They require a high sti ness, a high bandwidth, and a precise motion at maximum speed. Linear motors as direct drives for machine-tool axes provide the basis to ful l these requirements. They eliminate the gear-related problems of rotary drives with lead-screw transmission (from rotary to linear motion). In research and industrial projects, linear drives are already successfully implemented for machine-tool axes. From the point of view of control, the accurate and low-noise estimation of the axis speed is a key issue. Due to the high bandwidths required, high sampling frequencies are employed. The estimation of the drive speed by di erentiation of the measured position is sensitive to position quantisation at high sampling frequencies. All position-based speed estimation methods involve a trade-o between delay and quantisation noise on the estimated speed. Delay limits the achievable control bandwidth. Noise leads to audible control noise and might excite structural resonances. It limits the maximum values of the feedback gains and thus also limits the bandwidth. Given a certain position resolution, a substantial reduction of quantisation e ects is only possible at the expense of a reduction of the sti ness. A further increase in position resolution limits the maximum axis speed with today's position encoders. This is not desired and other solutions have to be found. A survey of di erent sensors for linear-axis control describes the state of the art. As a result, the use of acceleration measurement in addition to the position measurement for high-precision speed estimation is proposed. The commonly used aerospace methods of combining position with acceleration to obtain a high-precision speed estimate (complementary lters, Kalman lters) raise design and realisation problems for linear-axis applications. Therefore, we propose a novel method of accelerometer-enhanced speed estimation (AESE). This method lowers the demands on the position resolutions considerably. Generally speaking, the low frequency components are extracted from the position measurement and the high frequency components from the acceleration signal by observing the two measurements over a certain time period in the past. This solution is not sensitive to accelerometer measurement noise. Its design consists in the choice of one design parameter, the observation period length. The design is very easy, as the resulting speed quality is not very sensitive to this parameter. An analysis of the closed-loop system demonstrates that, by the use of accelerometer-enhanced speed estimation, the position quantisation in uence on the speed feedback path is equalised to the one of the position feedback path. Therefore, high controller bandwidths and thus high sampling frequencies are possible without noise on the speed signal. On-line identi cation algorithms for the accelerometer gain and o set parameter, which are proposed in this dissertation, simplify commissioning of the system with the additional accelerometers. They are based on the proposed AESE-method. Low-cost inertial accelerometers are used for the experimental validation of the proposed algorithms on real linear-drive axes. They demonstrate that the AESE-algorithm provides an accurate, low-noise speed estimate with a delay in the range of the delay of the direct position di erentiation over one sampling period. Altogether, the proposed AESE-method is well-suited for an industrial application because of the high quality of the obtained speed signal, the simple design, the low cost, the low measurement-noise sensitivity, and the on-line parameter identi cation. v R esum e Dans le domaine de l'usinage a grande vitesse, les machines-outils exigent des performances elev ees du syst eme m ecanique, des actuateurs et du contrôle num erique. Une rigidit e elev ee, une grande bande passante et des mouvements pr ecis a haute vitesse sont requis pour le contrôle de tels axes. Les moteurs lin eaires sont bien appropri es pour entrâ ner des axes de machinesoutils avec de telles sp eci cations. Ils eliminent les probl emes m ecaniques dûs aux vis a billes qui, dans les machines conventionnelles, transforment le mouvement rotatif en mouvement lin eaire. Dans des projets de recherche et industriels, les moteurs lin eaires ont d ej a et e utilis es avec succ es dans des machines-outils. Un des principaux probl emes de la commande des moteurs lin eaires consiste en l'estimation de la vitesse de l'axe. A cause de la large bande passante, une fr equence d' echantillonnage elev ee est n ecessaire, mais l'estimation de la vitesse par di erentiation de la position est tr es sensible au bruit de quanti cation pour des fr equences elev ees. Toutes les m ethodes d'estimation de la vitesse bas ees sur la position m enent a un compromis entre le bruit de quanti cation et un retard sur le signal de vitesse. Le bruit de quanti cation est audible et pourrait exciter des r esonances de la structure m ecanique. Des retards et constantes de temps limitent la bande passante de la boucle de r eglage. Pour une r esolution de position constante, une diminution de l'e et de quanti cation n'est possible qu'en diminuant la rigidit e. Une augmentation de la r esolution des encodeurs de position limite toujours la vitesse maximale de l'axe avec les encodeurs courants, et exige d'autres solutions. Un aper cu des capteurs pour les axes de machines-outils d ecrit l' etat de l'art. La mesure de l'acc el eration en plus de la position est propos ee a n d'obtenir une estimation de vitesse de haute qualit e. Les m ethodes utilis ees en a eronautique pour la fusion de la position et de l'acc el eration pour obtenir la vitesse ( ltres compl ementaires, ltres de Kalman) posent des probl emes de synth ese et de r ealisation pour des axes lin eaires. C'est pourquoi une nouvelle m ethode pour estimer la vitesse a partir de la position et de l'acc el eration est propos ee dans cette th ese. Cette m ethode diminue les exigences sur la r esolution du capteur de position. Elle extrait par ltrage les basses fr equences du signal de position et les hautes fr equences du signal d'acc el eration en observant les mesures dans une fenêtre xe dans le pass e. La solution propos ee n'est pas sensible au bruit de mesure de l'acc el eration. Sa synth ese consiste a ne choisir q'un seul param etre et est simpli ee par le fait que la qualit e du signal de vitesse n'est pas sensible a ce param etre. Des algorithmes pour l'identi cation du gain et de l'o set de l'acc el erom etre en temps r eel sont propos es. Ils sont bas es sur l'algorithme d'estimation de vitesse. La mise en service d'acc el erom etres suppl ementaires est simpli ee par cette m ethode d'identi cation. Pour la validation exp erimentale de la m ethode propos ee, des acc el erom etres bon march e ont et e utilis es sur des axes lin eaires. Le r esultat de ces exp eriences est une estimation de vitesse avec tr es peu de bruit et avec un retard qui est dans le domaine de celui de la di erentiation directe. L' etude du syst eme en boucle ferm ee d emontre qu'avec la solution propos ee l'in uence de la quanti cation sur le signal de retour de vitesse est du même ordre de grandeur que celle sur vii viii le signal de retour de position. Il est donc possible de disposer d'une bande passante elev ee en maintenant un faible bruit sur l'estimation de vitesse. La nouvelle m ethode d'estimation de vitesse propos ee dans cette th ese se prête bien a l'utilisation dans une application industrielle, a cause de la bonne qualit e du signal obtenu, la synth ese simple, la faible sensibilit e au bruit de mesure et l'identi cation automatique des param etres de l'acc el erom etre.

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@inproceedings{Colombi2006AccelerometerE, title={Accelerometer - Enhanced Speed Estimation for Linear - Drive Machine Tool Axes}, author={Silvio Colombi}, year={2006} }