TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4536 ~ 4 5 4 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.539 4          4536     Re cei v ed  De cem ber 2 7 , 2013; Re vi sed  F ebruary 24,  2014; Accept ed March 1 0 , 2014   Resear ch on Backlash Nonlinearity in  AC Servo-driven  Precision Transmissio n  System          Wei Zhou, Ling Zhao, Xiaolun Li*, Lihong Lin    Coll eg e of Mechan ical En gi ne erin g Cho n g q in g Univ ersit y , C hon gqi ng, Ch in a, 4000 30   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :ling x i6 856 @1 63.com       A b st r a ct   AC servo- driv en pr ecisi on t r ans missi on s ystem  is  mai n ly co mpose d  of AC servo  motor ,   mec h a n ica l  tra n smissio n  p a rts and co ntrol  parts. Be caus e of mutual c oup lin g betw e en vari ous p a r t s,  particularly transmission system   in  m e c h anical coupling v i brati on i n  non- sm ooth trans ition, it w ill be  of   great h a r m  to safe op eratio n  of the system. This  pap er made s o me ov e r view  and  bui lt the mod e l of  A C   servo-driv en  precision transm i ss ion system mainly  fr om the  pers pective  of backlas h nonlinear   character i stic  and  w i th si mul a tion  too l  of   Matlab/Si muli n k  to a n a l y z e  t he  influ enc o f  backl ash  on  the   precision  of servo system , and then  corres p onding sim u lation curv e and  conclusions were shown in this   pap er. Do ho p e  the w o rk abo ve w ill have ce rtain refere nce  signific anc e to actual e n g i ne e r ing a ppl icati o n .     Ke y w ords :  AC  servo-driv en p r ecisio n trans mission syste m backl ash, no nli near ity      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Curre n tly, electro m e c ha ni cal syste m  is developi ng  toward s co mplex, preci s ion an d   miniaturi z atio n. Resea r ch on these cou p ling p r o c e s s and e s tabli s hment of dyn a mic mo del i s   indispen sabl e  for  con d ition  dete c tion, d e sig n  of   syst em pa ram e te rs, o p timization a nalysi s  a nd  fault diagno sis of electro m ech ani cal system. At  th e same time , AC servo-d r iven pre c i s i o n   transmissio n system i s  wi dely use d  in  electrome c h a n ical  system s. It is nece s sary to study i t electrome c h a n ical co uplin proce s s. In  pro duc tio n   practi ce, there are a l ways sin gul ar   con d ition s , e v en produ ctio n a c cura cy i s  se riou sly  aff e cted  [1]. For example, in   servo  sy stem  o f   pre c isi on tra n smi ssi on  d e vice, me ch anical ha rmo n ic vib r ation  and t r an sm issi on  clea ra nce   nonlin ear fa ctors  will affect the stea d y  state  and dynamic ch a r acte ri stics  o f   servo syst em thereby  red u c ing  the p r e c isi on of  system [2]. In addition, the  ele c trom ech anical coupli n g   vibration  of AC  servo  sy stem in  nonli n ear process has  g r e a i n fluen ce o n   safety of  syst em.  Therefore,  an alysis of the i m pact  of ele c trome c h a n i cal s e r v o   s y s t em fa c t or s o n  th e  pe r f or ma nc of system is o f  great signifi can c e.    In  the are a s of high runni ng accu ra cy require me nts of system, su ch as  servo p r eci s io n   drive  system s, ba ckla sh  n online a rity ha s b een  on e o f  the mai n  di rection s   of research. A s  e a rly  as the  194 0 s , there were so me p e o p le who b e g an to research the  probl em of ba ckl a sh  nonlin ear  con t rol. Even now it also attracts mu ch  at tention. For e x ample, som e  schola r s h a ve  studie d  the effect of backla s on dyn a mi cs of the enti r e sy stem  on  the conditio n  of friction an d   time-varying  mesh  stiffness [3]. Some schol ar s al so  have sim u lat ed and  analy z ed th e influe nce   of backla s on the preci s ion of  rad a servo  syste m  [4]. Besides,  some  schol ars  have ma de  some  pr act i c e  re sea r ch i n  wo rk sh op.  S o me  of th em stu d ied t he o c curren ce of ba ckl ash   phen omen at the me ch a n ical t r an smi ssi on  system   and th e effect s of th ese  ma lfunction s in  the  electri c al e q u ipment in  ceme nt indu stry  [5], some studie d  servo pn e u matic a c tu ators  con s id erin g the effect of servo valve ba ckl ash zo ne [6]. This pap e r  mainly studi es the influe n c of backla s h o n  the pre c isi o n of system, whi c reve als the influence  mecha n ism of servo sy st em  pre c isi on, it plays an impo rt ant role in  im proving ove r a ll perform an ce of system.       2. An Ov er v i e w   of AC Se r v o-driv en Precision Tra n smission Sy stem    AC se rvo-d r iven pre c i s ion tran smi ssi on system  which  is comp osed  of AC servo motor,   pre c isi on d r iv e syste m , co ntrol  system,  load  sy stem  and oth e subsy s tems, i s  on e of typi cal  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Backl ash No nlinea rity in A C  Servo-dri v e n  Preci s io n Tran sm issi on … (Wei Zhou 4537 compl e x ele c trome c ha nica l syste m s an d sho w n i n  F i gure  1. In  th e compl e x el ectro m e c ha ni cal  system s, there are th ree f o rm of ele c t r ome c h ani cal  cou p ling a s   follows: drive  sou r ce coupl ed  to strong ele c trom agn etic fields and tran smi ssi on control varia b les an d me cha n ical micro- electrome c h a n ical  cou p lin g body mov e ment, and  external loa d  coupli ng wh ich affect s m a in   motion. In  order to b e tter  study m u tual  co uplin g p h enome non  of  se rvo  pre c i s i on d r ive  syst em  betwe en vari ous  sub s yste ms, se rvo mo tor can b e  si mplified into one of output  torque, nam ely T  PTO ba sed  o n  co uplin g di agra m  of the  analysi s . And  gea r tran smi ssi on i s  the  most  comm o n ly  use d  in the  e l ectri c al  syste m  drive, in clu d ing  o r din a ry  gea r, plan etary ge ar train ,  and ha rmo n i gear d r ive, worm  wh eel a nd  WO RM-drive, and  so   o n . In gen eral, these d r ive  device s   can   be  simplified a s   a spri ng -ma s s-d a mp er sy stem.                   Figu re 1.  Electrical System Couplin g Diag ram       There are 3  main aspe cts of servo sy stem  perfo rma n ce, na mely stability ,  spe e d  and  accuracy , an d its main ch ara c teri stic in dexes ar e preci s ion, stabil i ty and respo n se spee d. The  basi c  requirements of  AC servo  sy stem s are  shown  as follows: Fi rs t, it is good stability. Under  the condition   of a given  inp u t and i n terfe r en ce, Se rvo system ca reach  ne w e quilibri um  sta t e,  or return to t he ori g inal  eq uilibriu m  stat e after  sho r t tran sition p r o c ess. Goo d  st ability and ful l  of  stability marg in is the p r e r equi site for reliable o pera t ion of se rvo  system . Second, it is hig h   pre c isi on.  A c cur a cy  of   se r v o sy st e m   re f e rs  t o   the  d egre e   of p r e c isi on  of o u tput follo ws in put,  whi c h i s  also the indi cat o r of stati c   cha r a c te ri stic and dyn a mi c characte ri stic of syste m  is   excelle nt or n o t. Third, it is fast dynami c  re s pon se. T hat is fa st re spo n se an d small oversh o o t.  Quick  re spo n s e i s   an im p o rtant  sign  o f  servo   sy ste m  dynami c   quality, whi c h re qui res th a t   transitio n time is sh ort while trackin g  comm and  si gnal, and ov ershoot is  small whe n  speed   cha nge s, an d  whe n  loa d  chang es  su dd enly, the c lim bing  rate of transi ent p r oce ss  mu st be bi g,  recovery time  must be short, and it must be with no n o scill ation.       2. Modeling of AC Serv o-driv en Precision Transm ission Sy ste m   There are m o re an d more research o n  the modeli ng of compl e x electrom e c ha nical  system s,  a n d   also have m ade so me valuable rese arch re sult s [7, 8]. For the  conve n ien c of  study, the el ectro m e c ha ni cal  system m odel can  b e  simplified as mass-sp r ing - dampin g   sy stem  driven by AC  motor. The  si mplified mod e l is sh own in  Figure 2.         Figure 2. Electrom echani cal Cou p ling M odel of  AC Servo-driven P r eci s io n Tra n s missio Sys t em       The figu re a bove is  a si mplified multi - deg re e of freedom  syste m  of "Qualit y-sp ring - dampe r" d r iven by  AC m o tor .  Ultim a tely , a se rvo motor-preci s i on  tran smi ssion-lo ad syst em  electrome c h a n ical coupli n g  model is buil t. In  the figure,    T m  is output torque of servo moto r ,   θ m   is the angl e of the drive shaft,   θ L  is the angl e of the load  shaft ,   B m   an d   B L  is respectively  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4536 – 4 542   4538 visco us d a m p ing co ef ficie n t of the driving whe e l and  the driven g ear ,   J m   an d   J L   is  r e s p ec tive l y   equivalent in ertia of drive  shaft and the  load shaft,   T L   is the load torqu e ,  K  is torsional stif fness  coef fici ent of  drive shaft is the twist angle of drive shaft is the  transmi ssi on  ratio of  th e   gear train.   Acco rdi ng to  Figure 2, bal ance eq uatio ns of  the  syst em input  shaf t can b e  ded uce d  by  dynamic p r in ciple of me ch anical system   2 mm m 2 () TJ B K m m dt dt dt dt                                     (1)    mL  -i                                                                (2)    The bala n ced  equation of the output sha ft shows as fo llows     2  LL L 2   () () ik J B T LL dt d t dt d t                                    (3)    Lapla c e tra n sform of formu l a (1) a nd (3 above can ob tain:    2 mm m T( ) J s ( ) B s ( )  k mm ss s                                     (4)      2 LL L i k J s ( ) B S ( ) T ( ) LL s ss                                       (5)    The equival e nt inertia ca n be define d  as follows:     ei   2 1 JJ J L i                                                             (6)    Equivalent da mping coeffici ent is:     m eL 2 1 BB B i                                                           (7)    The tran sfer  function of lo ad port spee d can  be d e duced from f o rmul a (1 )~(7), and sho w s as   follows     2 L   22   1 () 1 ( ) ( ) s 1 mm m L L LL m m L m L iT s J s B s T s K J SB J S B S i J J S i B B K      ()              (8)    In addition, as syn c h r on ous moto r ro tor pol e axis and D-Axis coinci de s, the motor  current initial  phase angle i s   90 o ,   na me ly   i d =0 ,  thereb y achievin D and  Q axi s  u n co uple d  in t h e   magneti c  field orientatio n of the vecto r-control  method. The voltage  of motor and  electroma gne tic torque  can  be expre s se d as:      qs q q UR i  L q f di dt                                                 (9)    en f q TP i                                                               (10)    Control blo ck  diagram of el ectro m e c ha ni cal  coupli ng system driven  by AC motor  can b e   dedu ce d from  (8)~(1 0), an d  sho w s a s  Fig u re 2.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Backl ash No nlinea rity in A C  Servo-dri v e n  Preci s io n Tran sm issi on … (Wei Zhou 4539 1 qs L sR m K 1 mm J sB 1 s k 1 L L J sB 1 s () m Ts () m s () m s () ms s i L T   L   () L s   () d Us   Figure 2. Electrom echani cal Cou p ling Cont rol Blo ck  Diag ram of Servo System       At the s a me time, s i mulink   dynamic   c h arts   of servo  system can  be i n ferred from  Figure  2 and sho w as Figu re 3.         Figure 3. Simulink Simul a tion Model of  Servo Syste m       3. Effec t s of  Bac k lash on  AC Serv o-driv en Precision Transmis sion Sy stem  Backl ash no n linearity wi del y exists in th e pr e c i s ion g ear d r ive sy stem, and mo stly the   clea ran c e fa ctor is i nevitab le be cau s of the lim it of p r ocessin g . Ta king th e preci s ion  gea r d r ive  as the  examp l e, its meshin g dra w in g is   sho w n in  Fig u re 4. In the f i gure,  in is the a ngle of d r ive  s haft,  ou t is the angle of moving shaft, and  is the an gle of  Backl ash. If there i s  no  ba ckl ash in  the tran smi s sion  chain, t hen th e relat i onship  b e tween in put a n gle an d o u tp ut angle  will  be   linear, ju st sh own in Fig u re  5.    out in 2     ou t in 0   Figure 4. Dia g ram of Me sh ing with Backl a sh   Figure 5. Rel a tionship bet wee n  Input a nd  Output without Bac k l as   Ou t 1 1 T r ans f e r  F c n 3 1 den (s ) Tr a n s f e r  F c n 2 1 Jm . s + B m T r ans f e r  F c n 1 1 Lq . s + R s I n t egr at or 2 1 s I n t egr at or 1 1 s Gai n 4 km Ga i n 3 i Ga i n 2 k1 Ga i n 1 K Ga i n Km C ons t ant 1 In 1 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4536 – 4 542   4540 Ho wever, i n  t he mo st  situ ations,  ba ckl ash  al ways  e x ists in  the transmi ssion  chain. In  this o c ca sion,  if the  rotated  angl e of  driv e shaft is , the driven  shaft  will  not rotate. Only  when  the rotate d a ngle  of drive   shaft i s  g r eat er tha n the  driven s haft will  rotate with drive s haft  as  the relation ship  sho w n  in  Figu re  5.  When th dr ive  sh aft rotat e s in  reve rse, the d r iven  sh aft  can not follo w immediately.  Only wh en t he ro tate d an gle of d r ive shaft is g r eate r  than 2 , the   driven  shaft will rotate wi th drive  shaf t in reve rse. In the serv o system, backlash i s  of ten  c o ns idered to loc a te after the motor.  Output  ba ckl ash n on-li ne ar sy stem structure sh own in  Figure 6.        Figure 6. System Block  Di agra m  of Backla sh Nonline a rity on the O u tput Termin al      Backl ash n o n linearity i s   ca use d  by t r an smissi o n  g a p ,  mainly o c cu rre d in  the  re versin g   and the sta r t time of servo  device, an d the gap  will  affect accu ra cy and vibratio n cha r a c teri stic of  s e rvo s y s t em [9, 10]. Back las h  nonlinearity effe cts  on outp u t m a inly in reversing tim e  an d it  woul d ca use output lag s . Simulation m odel of Back l a sh n onlin earity is sho w n i n  Figure 7, a nd  corre s p ondin g  simulatio n  curve is  sho w n  in Figure 8.              Figure 7. Simulation Mod e l  of Cleara n ce   Nonli nea rity  Figure 8. Simulation Curve  of Cleara n ce   Nonli nea rity               Backl ash ch a r acte ri stics of simulation m odel of  se rvo pre c isi on driv e system is  shown in  Figure 9.  In  orde r to   see  re sp on se ti me mo re   int u itively, it is  rea s on able  t o  set  step  si gnal  module  (i e, t he figu re  ste p  mo dule )   a nd  step   time   of 0.5s. And other pa ra meters set a s   follows L = 8.5mh, R s =0.1 , K m =0.5, J m =20kg· m 2 , B m  =B L =0.05, K=5N/ mm, i=1.8, J L =5  kg·m 2 , k 1 =1.        Figure 9. System Simulation Model of Cl eara n ce No nl inearity   0 2 4 6 8 10 -1 . 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 t/ s v1 / v 2 v1 v2 T r ans f e r  F c n 3 1 JL . s + B L Tr a n s f e r  F c n 2 1 Jm . s + B m Tr a n s f e r  F c n 1 1 Lq . s + R s Ste p Sc o p e I n t e gr at o r 2 1 s In t e g r a t o r 1 1 s Gai n 4 km Gai n 3 i Ga i n 2 k1 Ga i n 1 K Gai n Km Co n s t a n t 1 Ba c k l a s h Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Backl ash No nlinea rity in A C  Servo-dri v e n  Preci s io n Tran sm issi on … (Wei Zhou 4541 Backl ash n o n linea rity ha s a  hug e i m pact  on  system a c curacy a nd vi bration  cha r a c teri stics. In this paper, the impact of  Backlash  nonlin earity on the perform ance of syste m   will be shown by modifying the data  of Backlash. The  simulation re sults of different Backl ash are  sho w n in Fig u re 10  ~ 12.             Figure 10. System Resp on se Curve a s  the  Value of Backla sh is 0.0 0 0 1   Figure 11. System Resp on se Curve a s  the  Value of Backla sh is 0.0 0 1           Figure 12. System Resp on se Curve a s  the Value of Backla sh is 0.0 1       4. Conclusio n   This p ape has a nalyze d the mode ling method  of AC servo-drive n  preci s ion   transmissio n system.  AC servo-driven p r eci s io tra n smissi on  syste m  wa s de co mposed into t w parts of ele c trical net works and me cha n i c al net wo rk. Variou s pa rts of kinetic mo dels  were set  up  by electrom a gnetic an d mech ani cal system dy namics and dynam ic model of AC se rvo-d r i v en   pre c isi on tra n s missio n sy stem wa s e s ta blish ed by  co upling of the  para m eters.  Finally, several  simulatio n were mad e  by Matlab/simulin tool  and analy z ed the imp a ct of Backl a sh  nonlin earity  on sy stem p e rform a n c e,  with the  follo wing  co ncl u sions: the  uni t step respo n se   increa se s a s   the gap  ad ds. When  the g ap rea c he s a  ce rtain valu e, Step Re sp onse ove r sho o t   increa se s. It mean s that,  becau se of t he a c tion  of the cl osed lo o p  co rrectio n small  cle a ra n c e   will only ca use lag, and ha ve little influence o n  outpu t preci s ion.  With the increa sing of ga p, the  system  will   have a  g r ea ter  cha nge   of accu ra cy, vibratio wi ll incre a se,   and th syst em  overshoot in crea se s, thus  will a ffect system stability and accu ra cy.    0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 t/s X1 / X 2 / ( μ m) b a c k l a s h = 0 . 0001 x1 x2 0 0.1 0. 2 0. 3 0.4 0. 5 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 t/s () X1 / X 2 / μ m b a ch l a sh = 0 . 0 0 1 x1 x2 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 t/s x1 /x 2 / ( μ m) ba c k l a s h = 0 . 0 1 x1 x2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4536 – 4 542   4542 Ackn o w l e dg ements   The  autho rs ackn owl edg e the  supp o r t prov ided  by  the Natio nal Natu ral Scien c e   Found ation ( 5 1005 254 ) an d Do ctoral Progra m  Foun d a ti on of Institutions of Hi g her Edu c atio n of  Chin a(2 010 0 1911 2000 7).       Referen ces   [1]  Dord ea T ,  Munteanu  R, Camp ean u A.  Mode li ng a nd Si mulat i on of AC M a c h in es Beh a vi or in Dyn a mi c   Operatio n Criti c al Ana l ysis.  Advanc ed El e c tromecha nica l  Motion S y ste m s & Electric Drives Joi n t   S y mp osi u m. 2009: 1-8.   [2]  Hua b in g Yi n, Guangm ing  Z hou.  T h e  Stu d y ab out Pl a netary Gear bo x Virtual Pr ototypin g w i t h   Nonl in ear Gea r  Contact Char acteristics.  W CCM/APCOM 2010, IOP Conf. Series: Materials Scie nc e   and En gi neer in g. 2010; 1 0 : 1-7.  [3]  Si yu Ch en, Ji n y u an T ang. T he Effect of Backl ash  on the  Resp onse  of Gear S y st em D y namics  w i t h   F r iction an d T i me-varia bl e Mesh Stiffness.  Journ a l of mech anic a l en gi neer ing . 20 09; 8(4 5 ) : 119-12 4.  [4]  F engmi ng Cu i. Nonl ine a r D y n a mics Simu lati on of Ra dar S e rvo S y stem. Master T hesis. Xi an: Xi Di a n   Universit y ; 2010.1.  [5] Bogi atzidis   IX , Safacas  AN.  V i brati on A nalys is an d B a cklas h Ide n tificatio n  of A T w in AC  Drive  for   A   Ce me nt Kiln . P o w e r El ectroni cs, Machines  a nd Driv es ( PEMD 201 0), 5th IET  Internation a l Co nfere n c e   on. 201 0: 132- 137.   [6]  Vald ireo A C , R i tter CS, Rios   CF , et al. No nli near M a them atical M ode lin g i n  Pne u matic S e rvo Pos i tio n   Appl icatio ns.  Mathe m atic al Pr obl e m s in Eng i neer ing . 2 011:  1-16.   [7]  Hirai de T ,   T a kahas hi K, Inad a y ap a M, et al.  Accelerati on  Control of A C  Servo Motor  Consi deri n g   Cog g in g T o rq u e  at  Low  Vel o c i ties for  Ha ptic s.  IEEE International S y mposium  on Industrial Electronic.  201 2: 166 8-16 73.   [8]  Ming dao  Li. R e searc h  o n  C o upl ed E l ectrom echa nica l Sim u lati on  of Preci s ion T r ansmiss ion  in S e rv o   S y stem. Maste r   T hesis. Shen ya ng:  North eas t Universit y 20 10; 6.  [9]  A Al-sh y ya b, A Kahram an. A  non- lin ear  d y n a mic mo del for  pla netar gear  sets.  Jo u r na l  o f   Mu l t i - body  Dynam i cs.  2 0 0 7 ; 221(4): 5 67- 576.   [10]  Basflio  E. A N onli n e a r St atic Feedb ack  Sta b ilizati on of  L i ne ar S y stems  w i t h  Backl ash.  Pr ocee din g  o f   the IEEE Conferenc e on  Decision and Contr o l . 200 8; 122( 1 8 ): 1716- 17 21.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.