齿轮消隙与双电机消隙的应用

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
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。

浅述双电机驱动系统消除齿轮间隙的对策作者：南京航空航天大学自动化学院杨海萍王道波引言采用齿轮减速来获得大力矩输出是伺服控制系统中常采用的拖动方式，这种带齿轮传动的伺服系统由于存在齿轮间隙会造成系统极限环振荡、低速不平稳和换向跳变等现象, 使伺服系统不能达到较高的定位控制精度。

由于齿隙非线性所具有的强非线性、非解析描述和不可微的特性,采用常规控制方法不能解决齿隙造成的控制精度差和动态性能不良等问题，因而解决齿隙非线性对控制精度影响的问题一直是控制领域研究的重要内容。

近些年来，随着对齿隙非线性机理研究的深入和非线性控制理论的发展，采用控制方式来消除齿隙影响的方法不断出现，如自适应控制理论、逆模型方法、碰撞分析法和非线性几何理论等，已成为解决齿隙问题的有力工具，上述这些方法基本都是针对建模、特性分析和控制理论进行的研究,不便于直接应用于工程实现。

本文提出了一种在工程实现上简便有效的方法，即采用双电机差步驱动来消除齿轮传动间隙的方法，通过二个电机的差步加载，使齿隙现象消除，不仅可达到较高的定位精度，同时能提高输出轴的力矩。

带齿隙伺服系统的机理分析为分析双电机驱动时差步控制消除齿隙的机理，需对双电机驱动的伺服系统进行数学建模与分析。

在大小齿轮运动过程中，大齿轮和小齿轮的啮合运动是通过它们之间的弹力和粘性摩擦力的相互作用来完成的，在一般情况下，粘性摩擦力忽略不计。

由于制造和机械上的误差造成齿轮啮合不够准确，会进一步增大齿隙的影响。

建模思路是先不考虑齿隙影响建立电机传动系统的理想动力学模型，然后再把齿隙考虑进去，进一步建立含齿隙的电机传动系统的动力学模型。

双电机驱动系统的原理结构图如图1所示：图1 双电机驱动齿轮原理图如不含传动齿轮时其动力学模型可为：（1）式中：j c1，j c2是两个小齿轮的转动惯量，是两个小齿轮的角速度，是两个伺服电机的角速度，i1和i2表示两电机电枢回路的电流，u1，u2是两个电机的电枢电压，j m是大齿轮的转动惯量，是大齿轮的角速度，c是阻尼系数，k是刚性系数。

双电机消隙控制技术研究发布时间：2022-07-13T03:24:58.335Z 来源：《中国科技信息》2022年5期3月作者：黎建国[导读] 齿轮传动系统间隙控制是一个系统工程，它涉及到齿轮传动系统设计、加工、制造成本等一系列问题。

黎建国贵州航天天马机电科技有限公司摘要：齿轮传动系统间隙控制是一个系统工程，它涉及到齿轮传动系统设计、加工、制造成本等一系列问题。

本文结合双电机消隙控制原理，通过分析齿轮传动系统的空回间隙及双电机驱动动力学模型，并在此基础上提出了消隙控制器设计方法，达到伺服系统消除齿轮间隙，提高控制精度的目的。

主题词：双电机消隙控制1引言齿隙是齿轮传动过程中不可避免的一种非线性，同时也是影响系统动态性能和稳定精度的重要因素。

理想的精密机械传动装置，其输出与输入之间的关系应当是线性的，但由于齿隙的存在，传动过程中会产生回程误差，系统的输入与输出在短时间内会失去运动联系，造成输出的突然中断，从而使运动传递关系成为非线性。

齿隙非线性会使系统产生振荡，大大降低系统的稳定性与精度。

采用单电机控制方式无法有效消除齿隙，因此会造成系统稳定性与精度较差，采用双电机双馈的控制方式可有效消除齿隙，从而提高系统的稳定性与控制精度。

2双电机消隙原理双电机驱动系统是由两台电动机连接两个完全相同的齿轮减速器，两齿轮减速器又通过各自的一个小齿轮啮合到大齿轮上，从而带动负载转动。

所谓消隙，则是在系统启动或换向时，在两个电机间建立一个偏置电流，从而形成一个偏置力矩来消除齿隙。

为实现消隙控制，理想的方案是使两电机分别作为正向驱动和反向驱动的动力电机，正向电机在反转时保持输出一个足以消除传动间隙的正向力矩，反向电机正转时保持输出一个足以消除传动间隙的反向力矩。

在此方案中，任意时刻都有一个电机牌反向出力状态，要求每个电机的功率都大于实际系统所需功率，所以实际的消隙系统基本都不采用这种方案，而是采用一种更为经济的近似方案。

数控机床进给系统常用消隙结构分析摘要：在机床加工的时候最为关键的构成就是数控机床的进给系统，在对零件加工的过程中，进给系统与被加工的零件加工精度有着密切的联系。

所以若要使零件加工的精度得以保证，有比较积极提高加工的质量，而这也意味着要对机床进给系统出现的间隙能够科学的认识，与此同时也要利用专业的技术与结构方法来对此进行调整，这样才能够使间隙消除，进而使位移与运动的精度得到一定程度的提升，使加工的质量更高。

本文主要对数控机床进给系统常用消隙结构进行简要的分析。

关键词：数控机床；进给系统；滚珠丝杠；齿轮传动引言：在加工零件的过程中运用数控机床能够使工作效率得到提升，而且可以使零件更加统一，可是在运用的过程中也发现很多不足，而机床间隙对于零件加工的影响比较大，所以有必要利用科学的方法对机床间隙进行消除处理，这样可以让零件加工的精确程度更高，如今机床消隙的方法主要有滚珠丝杠传动以及齿轮传动。

1滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动是最为普遍运用的传动模式，一般状态下这样的方式的效率比较高，而且运动效果更加平衡，有着很好的灵活程度，而且使用年限比较长，可是因为自身DN参数值与最高转速的限制，这样技术一般在中小行程的数控机床中运用。

1.1双螺母消隙丝杠双螺母间隙消除丝杠结构也是滚珠丝杠技术的一种主要是通过两个螺母与一个调整垫片组成（如图1）。

这样能够对机床运动的位移的精准程度与切削抗力进行预知，能够把预紧力实现通过计算得出，而且可以基于对垫片的调整把螺母预紧力变反，这样可以使螺母与丝杠全部向轴移动，这样就可以使间隙消除的成果体现出来，也可以使丝杠的刚性得到提升。

图1 双螺母消隙丝杠结构图这种结构是国内目前运用比较普遍的一种方式间隙消除结构，而且使用比较简单，出现问题的时候维修方法也比较便利，尤其是在使用时间变长出现磨损的时候只需要调整垫片就可以，不需要对其整体进行换置，而且也可以保证使用过程的精准程度。

1.2复合螺母消隙丝杠复合螺母间隙消除丝杠的工作方式非常接近双螺母螺钉的预紧结构，只是它采用位移引线预紧的方法，这种预紧方式由CNC高精度控制外圆磨床磨削过程中使螺母与丝杠的两个循环形成反向位移，从而获得预紧力消除差距。

双电机消隙转台伺服系统的设计摘要：由于机械传动系统中齿轮轮齿的间隙会形成非线性误差，它影响着系统的动态性能和稳态精度。

本文针对齿轮传动中存在的齿隙非线性，以双电机驱动实现消除齿隙。

本文着重描述了该系统的控制原理和软硬件设计，根据所需消隙转矩和负载转矩、运动速度和加速度的关系，设计了实时消隙转矩补偿控制器实现系统完全消隙。

实验结果表明，采用双电机消隙的转台的定位精度得到有效的提高。

关键词：伺服系统；双电机消隙；定位精度0引言天线的性能参数如指向、波瓣宽度、增益等可以通过设计、计算和测试来确定，转台是天线性能参数测试时的主要设备，它可以为天线提供多种运动方式，并提供具体的位置信息。

但是由于机械加工时存在误差和机械磨损以及传动齿轮之间存在间隙，转台控制系统的跟踪精度和稳定性往往达不到预设的要求，所以消除齿轮间隙以提高传动精度显得尤为重要。

1实施方案1.1伺服系统硬件设计图1 双电机消隙伺服系统控制框架双电机消隙伺服系统控制框架如图所示，天线控制单元（威纶通触摸屏EMT3070A）通过自由协议和PCC间进行通信，实现速度指令、状态控制和状态信息等控制操作。

控制模块是实现系统闭环的关键环节，它接受来自编码器的转台位置参数和来自触摸屏、PCC的输入指令，对转台位置进行控制，并进行数字校正，实现转台的精确定位，同时监控转台运转情况，通过机械限位和软件监测实现转台的保护功能。

1.2双电机消隙原理采用双电机传动的方法来消除传动间隙，就要使一台电机工作在速度模式，作为消隙驱动的主动电机，输出的主动力矩和测试转台的运动方向一致；另外一台电机则工作在力矩控制模式下，作为消隙驱动的从动电机，为消隙机构的齿圈提供向后的张紧力。

图2 双电机消隙结构当转台顺时针运动时，电机1为速度控制模式，电机2为电流控制模式，两台电机分别作为主动电机和从动电机，力矩分别为M1、M2，则提供的总力矩M=M1-M2。

当转台工作在逆时针模式时，情况正好相反。