重載平臺四輪同步驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

裴華剛

【摘要】針對四輪驅(qū)動的重載平臺，提出了交叉耦合控制和主從轉(zhuǎn)矩同步相結(jié)合的同步控制策略的同步控制策略。以DSP F2812為控制平臺設(shè)計了重載平臺四輪驅(qū)動同步控制系統(tǒng)。本重載平臺控制系統(tǒng)通過前左右輪的交叉耦合控制和前后輪主從轉(zhuǎn)矩跟隨控制，具備更高的同步控制精度和更穩(wěn)定的動態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】重載平臺;交叉耦合;轉(zhuǎn)矩同步

1.引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在航空、軍事、機(jī)械制造領(lǐng)域等需要多個執(zhí)行元件（液壓缸、氣缸、電機(jī)等），同時驅(qū)動一個或多個工作部件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的場合越來越多，尤其是近年來在重載平臺、高性能數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人控制、熱軋立輥系統(tǒng)、大型鉆機(jī)以及軍用機(jī)動雷達(dá)、防空武器發(fā)射平臺等領(lǐng)域，系統(tǒng)的同步精度的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能，然而不同的控制算法其控制精度和復(fù)雜程度差異很大，因此針對不同應(yīng)用場合選擇合適的同步控制策略具有非常重要的現(xiàn)實意義[1]。

2.多電機(jī)同步控制策略

目前，多電機(jī)同步控制系統(tǒng)主要控制目標(biāo)包括轉(zhuǎn)速同步、位置同步及轉(zhuǎn)矩同步等。其中轉(zhuǎn)速及位置同步控制的研究較多，基于不同的控制結(jié)構(gòu)的多電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置同步控制策略主要有同一給定控制，主從控制，虛擬總軸控制，交叉耦合控制和偏差耦合控制等[2] [ 3]。

同一給定控制略系統(tǒng)中，各電機(jī)之間沒耦合，運行過程中受到的擾動不會反饋給其它電機(jī)，電機(jī)之間易會產(chǎn)生同步偏差，系統(tǒng)的同步精度不能夠得到保證，抗擾性也不夠理想。

主從同步控制以轉(zhuǎn)矩同步為目標(biāo)，目前主要采用的是轉(zhuǎn)矩主從控制策略。其原理是只保留主電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)，各從電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán);保留系統(tǒng)中各電機(jī)自身的轉(zhuǎn)矩環(huán)，各從電機(jī)以主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩給定信號，從而實現(xiàn)從電機(jī)轉(zhuǎn)矩值對主電機(jī)轉(zhuǎn)矩值的跟隨，以確保主從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同步運行以及負(fù)載的自動平衡分配。轉(zhuǎn)矩主從控制策略方法簡單、容易實現(xiàn)，但從電機(jī)與主電機(jī)之間及各從電機(jī)之間沒有反饋，同步性及抗干擾性能不夠理想。

虛擬總軸控制策略中，系統(tǒng)輸入信號要經(jīng)過虛擬總軸的作用才能得到電機(jī)的參考信號，因而總的參考信號并不一定等于系統(tǒng)輸入信號。

交叉耦合控制策略[4]是比較兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將得到的同步轉(zhuǎn)速偏差作為補(bǔ)償兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號，從而使系統(tǒng)獲得良好的同步控制精度。但是這種控制策略比較適用于兩臺電機(jī)的同步控制，當(dāng)電機(jī)數(shù)量較多時，其控制算法復(fù)雜程度將會增加。

偏差耦合控制策略[5]是在交叉耦合控制基礎(chǔ)上發(fā)展而來，他將系統(tǒng)中某一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速同其它電機(jī)轉(zhuǎn)速分別比較，然后將得到的偏差相加作為該電機(jī)的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償信號。這種策略隨著電機(jī)數(shù)目的增加，其控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也會增加，耦合補(bǔ)償規(guī)律也愈加難以確定。

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，很多研究者將模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法應(yīng)用到同步控制領(lǐng)域并取得一定成果。

3.重載平臺四輪驅(qū)動同步控制策略選擇

在一些重載系統(tǒng)中，單臺電機(jī)難以滿足功率要求，需要多臺電機(jī)協(xié)調(diào)驅(qū)動，而在實際工程應(yīng)用中，多臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、電流、功率等無法完全實現(xiàn)一致;而且傳動系統(tǒng)非線性因素及外界擾動等影響，運行中多電機(jī)系統(tǒng)常常出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不均衡，同步進(jìn)度低等現(xiàn)象。嚴(yán)重時會導(dǎo)致電機(jī)及其連接軸和驅(qū)動平臺發(fā)生不同程度的損壞。因此，改善多電機(jī)轉(zhuǎn)矩同步性能的控策略，保證這類機(jī)械安全、可靠的運行，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本重載平臺采用四輪驅(qū)動，平臺在軌道上定向高速運行，其驅(qū)動示意圖如圖1所示。驅(qū)動輪A、B為重載平臺的前驅(qū)動輪，驅(qū)動輪C、D為重載平臺后驅(qū)輪。每個驅(qū)動輪采用一個大功率的同步伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。重載平臺為剛性平臺，但由于其前后長度和左右跨度較大，在運行過程中，對四個驅(qū)動輪的應(yīng)力會存在差異。為保證系統(tǒng)在軌道上穩(wěn)定運行，四個驅(qū)動輪的同步性能要求較高，若驅(qū)動輪左右和前后存在一定的同步誤差，將會出現(xiàn)平臺拉偏或?qū)④壍来驂牡奈ｋU。

圖1 重載平臺驅(qū)動示意圖

通過本文前面對各種控制策略分析不難看出，簡單的同步給定的方式無法滿足本系統(tǒng)系統(tǒng)同步控制的要求。交叉耦合控制雖然能較好的對各電機(jī)進(jìn)行同步補(bǔ)償，實現(xiàn)較高的同步控制。由于本系統(tǒng)采用四臺電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，電機(jī)數(shù)量較多，采用交叉耦合控制會導(dǎo)致其控制算法非常復(fù)雜，工程實現(xiàn)較為困難，會對處理器的運行速度帶來很大的壓力。

根據(jù)本系統(tǒng)的特點，筆者提出將交叉耦合控制和轉(zhuǎn)矩跟隨相結(jié)合的同步控制策略。具體實現(xiàn)方式是：前驅(qū)動輪A、B采用交叉耦合同步控制策略，后驅(qū)動輪C、D采用轉(zhuǎn)矩跟隨控制策略，即驅(qū)動輪C跟隨驅(qū)動輪A，驅(qū)動輪D跟隨驅(qū)動輪B。

前輪通過交叉耦合控制，既能保證平臺同步運動，又降低了系統(tǒng)交叉耦合復(fù)雜程度，選用DSP作為系統(tǒng)處理器就能較好的進(jìn)行控制。前后電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩跟隨的方式，從電機(jī)以主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩給定信號，實現(xiàn)從電機(jī)轉(zhuǎn)矩值對主電機(jī)轉(zhuǎn)矩值的跟隨，確保主從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同步運行以及負(fù)載的自動平衡分配。

4.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)由DSP處理器、工控機(jī)、伺服控制器、伺服電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)組成。其組成示意圖如圖1所示：

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成圖

DSP處理器選用TI公司的工業(yè)控制芯片F(xiàn)28335，作為本系統(tǒng)的控制核心單元。DSP處理器具備如下功能：①實現(xiàn)前驅(qū)動輪交叉耦合控制算法;②通過接口電路，向前驅(qū)動輪的伺服控制器A、B給定速度參數(shù);③采集前驅(qū)動輪速度傳感器的速度數(shù)據(jù);④通過以太網(wǎng)接口，與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用于接收工控機(jī)的控制指令和向工控機(jī)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

工控機(jī)為系統(tǒng)的操控平臺，操作者可通過圖形界面進(jìn)行系統(tǒng)控制。工控機(jī)通過以太網(wǎng)接口向DSP處理器發(fā)送控制指令，如：平臺運行方向、運行速度等參數(shù)。同時也可接受DSP處理器發(fā)送的系統(tǒng)狀態(tài)信息。通過圖形界面的方式顯示給操控者。

每個驅(qū)動輪采用同步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，每個同步電機(jī)配置一個伺服控制器。前驅(qū)動輪通過DSP處理器速度給定的方式進(jìn)行速度閉環(huán)控制。速度給定值通過交叉耦合控制策略后輸出。保證兩個前驅(qū)動輪速度一致。前后電機(jī)之間通過轉(zhuǎn)矩跟隨的方式控制，前電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出作為后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩如入，保證前后電機(jī)受力均勻，平臺能平穩(wěn)運行。

5.控制器設(shè)計

前驅(qū)動電機(jī)采用偏差耦合同步控制，與交叉耦合控制不同的是，偏差耦合控制可根據(jù)每臺電機(jī)的工作狀態(tài)，動態(tài)地在各電機(jī)之間分配速度補(bǔ)償信號。

圖3 前驅(qū)動輪偏差耦合同步控制圖

如圖2所示，r（t）為速度給定信號，y1、y2分別為前驅(qū)動輪A、B的速度反饋信號，e1（t）、e1（t）為A、B驅(qū)動輪的速度跟蹤偏差。通過信號調(diào)理模塊，通過偏差控制算法，將兩個驅(qū)動輪的同步誤差減小到最小，達(dá)到兩前驅(qū)動輪同步運行的目的。

要保證電機(jī)既不欠載，也不過載，出力的均衡性是關(guān)鍵問題之一，前后驅(qū)動輪電機(jī)只有提供相同的轉(zhuǎn)矩，這樣才能保證設(shè)備可靠安全運行。前驅(qū)動輪電機(jī)（主電機(jī)）輸出轉(zhuǎn)矩來控制后驅(qū)動輪電機(jī)（從電機(jī)），這個輸出轉(zhuǎn)矩作為后驅(qū)動輪電機(jī)電流環(huán)輸入量，通過轉(zhuǎn)矩跟隨既實現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，也實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，有效地抑制轉(zhuǎn)矩的突變，改善電機(jī)的運行性能。

6.結(jié)束語

針對四輪驅(qū)動的重載平臺，本文根據(jù)各種同步控制策略的有缺點，采用的控制策略為：前輪兩個驅(qū)動電機(jī)采用偏差耦合的控制方式，保證其同步性能。后輪驅(qū)動電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩跟隨的方式。保證前后輪受力均勻，運行平穩(wěn)。通過上述兩種同步控制策略相結(jié)合，既能較好的解決重載平臺運行過程中左右輪的同步問題，又能讓每個電機(jī)在轉(zhuǎn)矩輸出上起到平衡作用，平臺運行更加平穩(wěn)和柔和。這兩種同步策略相結(jié)合，工程應(yīng)用中實現(xiàn)起來較為簡單，避免了因多電機(jī)交叉耦合而帶來的算法復(fù)雜、實現(xiàn)較困難問題，具有較高的工程應(yīng)用價值。

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