Département d'informatique

Accelerometer - enhanced speed estimation for linear - drive machine tool axes

Gees, Andrea ; Nicoud, Jean-Daniel (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1996 ; no 1575.

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    Summary
    Machine-tool axes for high-speed machining make great demands on the mechanical system, the actuators, and the numerical control. They require a high stiffness, a high bandwidth, and a precise motion at maximum speed. Linear motors as direct drives for machine-tool axes provide the basis to fulfil 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 differentiation of the measured position is sensitive to position quantization at high sampling frequencies. All position-based speed estimation methods involve a trade-off between delay and quantization 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 quantization effects is only possible at the expense of a reduction of the stiffness. 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 different 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 filters, Kalman filters) 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 quantization influence 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 identification algorithms for the accelerometer gain and offset 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 differentiation 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 identification.
    Résumé
    Dans le domaine de l'usinage à grande vitesse, les machines-outils exigent des performances élevées du système mécanique, des actuateurs et du contrôle numérique. Une rigidité élevée, une grande bande passante et des mouvements précis à haute vitesse sont requis pour le contrôle de tels axes. Les moteurs linéaires sont bien appropriés pour entraîner des axes de machines-outils avec de telles spécifications. Ils éliminent les problèmes mécaniques dus aux vis à billes qui, dans les machines conventionnelles, transforment le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Dans des projets de recherche et industriels, les moteurs linéaires ont déjà été utilisés avec succès dans des machines-outils. Un des principaux problèmes de la commande des moteurs linéaires consiste en l'estimation de la vitesse de l'axe. A cause de la large bande passante, une fréquence d'échantillonnage élevée est nécessaire, mais l'estimation de la vitesse par différentiation de la position est très sensible au bruit de quantification pour des fréquences élevées. Toutes les méthodes d'estimation de la vitesse basées sur la position mènent à un compromis entre le bruit de quantification et un retard sur le signal de vitesse. Le bruit de quantification est audible et pourrait exciter des résonances de la structure mécanique. Des retards et constantes de temps limitent la bande passante de la boucle de réglage. Pour une résolution de position constante, une diminution de l'effet de quantification n'est possible qu'en diminuant la rigidité. Une augmentation de la résolution des encodeurs de position limite toujours la vitesse maximale de l'axe avec les encodeurs courants, et exige d'autres solutions. Un aperçu des capteurs pour les axes de machines-outils décrit l'état de l'art. La mesure de l'accélération en plus de la position est proposée afin d'obtenir une estimation de vitesse de haute qualité. Les méthodes utilisées en aéronautique pour la fusion de la position et de l'accélération pour obtenir la vitesse (filtres complémentaires, filtres de Kalman) posent des problèmes de synthèse et de réalisation pour des axes linéaires. C'est pourquoi une nouvelle méthode pour estimer la vitesse à partir de la position et de l'accélération est proposée dans cette thèse. Cette méthode diminue les exigences sur la résolution du capteur de position. Elle extrait par filtrage les basses fréquences du signal de position et les hautes fréquences du signal d'accélération en observant les mesures dans une fenêtre fixe dans le passé. La solution proposée n'est pas sensible au bruit de mesure de l'accélération. Sa synthèse consiste à ne choisir qu'un seul paramètre et est simplifiée par le fait que la qualité du signal de vitesse n'est pas sensible à ce paramètre. Des algorithmes pour l'identification du gain et de l'offset de l'accéléromètre en temps réel sont proposés. Ils sont basés sur l'algorithme d'estimation de vitesse. La mise en service d'accéléromètres supplémentaires est simplifiée par cette méthode d'identification. Pour la validation expérimentale de la méthode proposée, des accéléromètres bon marché ont été utilisés sur des axes linéaires. Le résultat de ces expériences est une estimation de vitesse avec très peu de bruit et avec un retard qui est dans le domaine de celui de la différentiation directe. L'étude du système en boucle fermée démontre qu'avec la solution proposée l'influence de la quantification sur le signal de retour de vitesse est du même ordre de grandeur que celle sur le signal de retour de position. Il est donc possible de disposer d'une bande passante élevée en maintenant un faible bruit sur l'estimation de vitesse. La nouvelle méthode d'estimation de vitesse proposée dans cette thèse se prête bien à l'utilisation dans une application industrielle, à cause de la bonne qualité du signal obtenu, la synthèse simple, la faible sensibilité au bruit de mesure et l'identification automatique des paramètres de l'accéléromètre.