雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)

(武漢科技大學(xué)，武漢 430081)

0 引 言

伺服電機(jī)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造的眾多領(lǐng)域，當(dāng)系統(tǒng)提出大功率需求時(shí)，因?yàn)閱蝹€(gè)電機(jī)的功率有限，往往需要采用雙電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)來滿足。由于標(biāo)稱參數(shù)相同的電機(jī)不一定具有相 同的實(shí)際參數(shù)，對(duì)于相同的輸入指令，兩電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況可能不同[1]，因此電機(jī)的同步精度成為了影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了同步控制的結(jié)構(gòu)和算法。經(jīng)過多年發(fā)展，已逐漸形成一套較為完備的雙電機(jī)同步控制理論。

1 雙電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)

同步在狹義上指兩電機(jī)的位置、速度和加速度等完全相同，即完全同步。廣義則指位置、速度和加速度等保持一定的比例關(guān)系，即比例同步[2]。目前，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)同步控制的結(jié)構(gòu)主要有兩種：機(jī)械同步結(jié)構(gòu)和電子同步結(jié)構(gòu)。機(jī)械同步結(jié)構(gòu)使用一個(gè)主電機(jī)帶動(dòng)總軸，其他電機(jī)軸和總軸通過機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相連。當(dāng)其中一個(gè)軸受到擾動(dòng)時(shí)，主電機(jī)會(huì)收到反饋并作出相應(yīng)變化。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，容易發(fā)生磨損，因此加工精度易受影響。當(dāng)輸出參數(shù)化需要調(diào)整時(shí)要拆換傳動(dòng)裝置，改變?cè)旭詈详P(guān)系，增加了生產(chǎn)成本[3]。因此，在雙電機(jī)同步控制中，應(yīng)用更為廣泛的是電子同步結(jié)構(gòu)。常見的電控結(jié)構(gòu)有四種：并行控制，主從控制、虛擬主軸控制和交叉耦合控制。

1.1 并行控制

并行控制是一種非耦合控制，結(jié)構(gòu)框圖1如所示。采用并行結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制，如果其中一個(gè)電機(jī)受到外部擾動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，無法滿足高精度加工要求。

圖1 并行控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 主從控制

主從控制將某一軸作為主軸，另一軸作為從軸。由圖2可以看出，從軸的速度能夠跟隨主軸變化，但主軸卻無法接收從軸反饋的信號(hào)。由于從電機(jī)存在跟蹤滯后現(xiàn)象[4]，主從控制只適用于同步精度不高的加工過程。

圖2 主從控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 虛擬主軸控制

虛擬主軸的概念由Lorenz和Meyer于1999年正式提出[5]。該結(jié)構(gòu)使用虛擬主軸代替機(jī)械主軸，克服了機(jī)械主軸的缺點(diǎn)，但在負(fù)載停機(jī)、啟動(dòng)和突然發(fā)生變化時(shí)，容易產(chǎn)生同步誤差[6]。

圖3 虛擬主軸控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 交叉耦合控制

Koren于1980年提出了交叉耦合同步控制結(jié)構(gòu)[7]，它是在并行控制的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)補(bǔ)償單元，將兩軸速度差或位置差作為共享反饋信號(hào)。由于綜合考慮了兩軸的運(yùn)動(dòng)情況，同步性能大大提高。

圖4 交叉耦合結(jié)構(gòu)示意圖

2 雙電機(jī)同步控制算法

對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步控制的策略，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要提出了差電流負(fù)反饋控制和差速負(fù)反饋控制。差電流負(fù)反饋由日本FANUC株式會(huì)社提出，它在并行同步機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將兩伺服電機(jī)的實(shí)際電流或轉(zhuǎn)矩指令的差分結(jié)果乘以一個(gè)變換系數(shù)，作為位置偏移量疊加到轉(zhuǎn)矩滯后軸的位置指令中[8]。由于兩電機(jī)的實(shí)際參數(shù)可能不同，因此電流一致不能保證兩軸速度也一致。對(duì)此，陳慶偉等提出了差速負(fù)反饋控制策略。該策略保留主電機(jī)速度環(huán)，斷開從電機(jī)速度環(huán)，將差速信號(hào)反饋至電流端，借助電流環(huán)的快速響應(yīng)來抑制兩軸速度同步誤差[1]。

傳統(tǒng)的PID控制能夠提高單軸的跟蹤能力，有效改善系統(tǒng)的同步性能，但是當(dāng)同步偏差較大時(shí)易出現(xiàn)超調(diào)和反應(yīng)滯后的現(xiàn)象，難以滿足高精度加工的要求[8]。其他控制算法主要有自適應(yīng)控制[9]、前饋控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和滑模變控制等。在傳統(tǒng)控制理論的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了模糊PID控制、模糊滑模變補(bǔ)償算法、基于廣義預(yù)測(cè)的控制理論等補(bǔ)償方法。經(jīng)過理論分析和系統(tǒng)仿真，這些補(bǔ)償方法能夠顯著提高電機(jī)的同步精度和性能。其中，積分分離的PID控制算法已應(yīng)用于動(dòng)梁式龍門數(shù)控機(jī)床[10]，其他部分方法也已成功應(yīng)用于實(shí)踐。

3 新型雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上研究，現(xiàn)有的雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)大多僅將電機(jī)位置或速度作為負(fù)反饋信號(hào)來建立單閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但是兩電機(jī)位置或速度的一致性不能保證負(fù)載速度的一致性。針對(duì)上述缺陷，文中提出了一種雙閉環(huán)同步控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件采用帶有旋轉(zhuǎn)編碼器的交流伺服電機(jī)，電機(jī)繞組與驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接，電機(jī)編碼器與驅(qū)動(dòng)器的編碼器輸入接口連接。驅(qū)動(dòng)器的CAN通訊接口與計(jì)算機(jī)的CAN卡連接；負(fù)載編碼器信號(hào)輸出與轉(zhuǎn)換器連接，轉(zhuǎn)換器輸出標(biāo)準(zhǔn)RS232與計(jì)算機(jī)相連。

圖5 新型同步系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用交叉耦合同步結(jié)構(gòu)，其中一環(huán)將電機(jī)的輸出信號(hào)反饋至驅(qū)動(dòng)器，另一環(huán)將負(fù)載傳感器的采集信號(hào)反饋至計(jì)算機(jī)。各軸電機(jī)與負(fù)載之間構(gòu)成跟蹤偏差，兩軸輸出信號(hào)之間構(gòu)成同步偏差，如圖6所示。補(bǔ)償方法采用模糊PID控制，信號(hào)分析與處理均在計(jì)算機(jī)內(nèi)完成。

圖6 基于交叉耦合的雙閉環(huán)同步控制系統(tǒng)

4 結(jié)束語

雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于精密加工、紡織印染、生產(chǎn)輸送等各個(gè)領(lǐng)域，擁有廣闊的發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)外對(duì)同步控制結(jié)構(gòu)和同步控制理論的研究逐步深入，成為指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的有效方法。文中總結(jié)了現(xiàn)有控制方法的概念、原理和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于交叉耦合的雙閉環(huán)同步控制系統(tǒng)。