基于負(fù)反饋的電機(jī)差速震蕩抑制方法

孫 宇，李佳興，趙 彧，孟慶宇

(1.中國(guó)人民解放軍61112部隊(duì)，黑龍江 牡丹江 157000；2.黑龍江省林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，黑龍江 牡丹江 157000)

0 引言

在雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，天線俯仰或方位軸上的2臺(tái)電機(jī)之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以軸為節(jié)點(diǎn),大小相等、相位相反和低頻率的阻尼震蕩。會(huì)疊加在2臺(tái)電機(jī)的平均速度上，使電機(jī)產(chǎn)生不能自行消除的差速震蕩，因此對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)電機(jī)在勻速狀態(tài)下或加減速狀態(tài)下的精準(zhǔn)同步控制至關(guān)重要。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，電機(jī)通過(guò)三環(huán)進(jìn)行控制,且控制環(huán)路內(nèi)2臺(tái)電機(jī)的標(biāo)稱值相同，因此2臺(tái)電機(jī)的輸出速度應(yīng)該一致。然而在電機(jī)設(shè)計(jì)出廠時(shí)，即使電機(jī)內(nèi)部件參數(shù)相同，在實(shí)際應(yīng)用中電機(jī)所表現(xiàn)出來(lái)的特性也會(huì)略有差別，導(dǎo)致同步控制效果出現(xiàn)差異，因此需通過(guò)更精準(zhǔn)的控制環(huán)路控制電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

目前常用的天線伺服系統(tǒng)所采用的是和速反饋控制方法，由于和速反饋在雙電機(jī)之間產(chǎn)生速度差時(shí)無(wú)法及時(shí)進(jìn)行抑制，特別是在天線上電后快速置位、跟蹤目標(biāo)時(shí)的變速運(yùn)動(dòng)和歸零前的反向減速過(guò)程中，伺服電機(jī)會(huì)產(chǎn)生振蕩。因此，需對(duì)伺服環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增加了負(fù)反饋的差速抑制電路，將電機(jī)產(chǎn)生的速度差經(jīng)比較器進(jìn)行差值比較，將差值信號(hào)反饋給數(shù)值小的速度調(diào)節(jié)器，從而調(diào)節(jié)該電機(jī)速度，使電流輸入信號(hào)趨于相同，達(dá)到抑制目的[2]。

1 伺服電機(jī)震蕩機(jī)理

在基于對(duì)天線設(shè)備跟蹤任務(wù)過(guò)程中出現(xiàn)的振蕩特點(diǎn)及雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)和速反饋速度環(huán)引用的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在自跟蹤任務(wù)中電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的振蕩，與雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的速差有關(guān)系。通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)環(huán)路進(jìn)行測(cè)試，在天線高仰角過(guò)頂或其他非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅值波動(dòng)相對(duì)較小、低頻率、低阻尼的諧振頻率。當(dāng)該諧振頻率與俯仰、方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度頻率相互疊加時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法自動(dòng)消除，這種特點(diǎn)的頻率疊加狀態(tài)稱為差速震蕩[3]。

伺服電機(jī)在變速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中出現(xiàn)振蕩，主要在于主電機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載力矩增大，從電機(jī)速度低于主電機(jī)，抑制主電機(jī)使其減速；當(dāng)主電機(jī)和從電機(jī)速度相同時(shí)，從電機(jī)的負(fù)載力消失。如此反復(fù)變速，在S/X自跟蹤、程跟時(shí)就會(huì)出現(xiàn)振蕩，在控制界面上的引導(dǎo)曲線就會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)的鋸齒現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的天飼饋系統(tǒng)中，通常增加偏置力矩來(lái)改善雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的齒輪消隙，使得雙電機(jī)無(wú)速度差，減少差速震蕩的發(fā)生幾率，但因電機(jī)器件的特性差異，優(yōu)化程度有限[4]。

2 傳統(tǒng)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消息方法

通常在工程上，為了避免伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪產(chǎn)生的差速震蕩，在天線的3個(gè)軸體均使用同一廠家、同一型號(hào)的寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，同時(shí)2臺(tái)電機(jī)的摩擦離合器、減速箱內(nèi)部的末級(jí)齒輪均與天線主軸的大齒輪匹配嚙合；通過(guò)在2臺(tái)電機(jī)間施加一個(gè)偏置電流，從而在同軸的2組減速齒輪組間形成一個(gè)偏置力矩，使天線伺服系統(tǒng)在預(yù)置、高速過(guò)頂或過(guò)頂后減、歸零時(shí)消除空轉(zhuǎn)回程，即雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙。從而避免了因機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電機(jī)驅(qū)動(dòng)消隙造成天線無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。其原理框圖如圖1所示。

圖1 雙電機(jī)消隙原理框圖Fig.1 Block diagram of backlash elimination principle of double motors

2.1 雙電機(jī)消隙力矩偏置

圖2 力矩偏置框圖Fig.2 Torque offset block diagram

當(dāng)Ug=0時(shí)，M2=-M1=M0,M0成為消隙(偏置)力矩值。

當(dāng)Ug由0正向增加不太大時(shí)，保持M1,M2反向，仍能消隙，此時(shí)由2#電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載和1#電機(jī)前進(jìn)。

當(dāng)Ug正向增加到U0時(shí)，M1=0,1#電機(jī)在齒隙中游移。2#電機(jī)仍拖動(dòng)負(fù)載，其齒輪箱不會(huì)出現(xiàn)齒隙，負(fù)載不會(huì)游移。

當(dāng)Ug>U0時(shí)，1#電機(jī)穿過(guò)齒隙與2#電機(jī)共同推動(dòng)負(fù)載，但M2>M1。

當(dāng)Ug>U1時(shí)，偏置力矩開始減小。

要建立相應(yīng)的管理制度，為人力資源優(yōu)化配置提供政策依據(jù)和導(dǎo)向。深化干部人事制度改革，加快“三能”機(jī)制建設(shè)，建立干部交流工作制度，暢通企業(yè)之間的干部流通渠道。制定各類企業(yè)機(jī)構(gòu)編制標(biāo)準(zhǔn)，特別是未來(lái)發(fā)現(xiàn)方向的分散式新能源、分布式能源的管理模式，安排和實(shí)施差異化、結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的人力資源優(yōu)化配置。建立企業(yè)內(nèi)部人才市場(chǎng)，形成有序的員工流動(dòng)機(jī)制。

當(dāng)Ug>U2時(shí)，偏置力矩完全消失，2臺(tái)電機(jī)以相等的力矩推動(dòng)負(fù)載。

通過(guò)對(duì)力矩偏置進(jìn)行分析，天線在反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，1#電機(jī)或2#電機(jī)有一臺(tái)輸出力矩會(huì)提前轉(zhuǎn)向，使得在一臺(tái)末級(jí)齒輪脫離大齒輪的同時(shí)，另外一臺(tái)末級(jí)齒輪不脫離，從而避免了天線調(diào)頭時(shí)，齒隙和空轉(zhuǎn)回程的產(chǎn)生[5]。

2.2 雙電機(jī)消隙的電樞電流

雙電機(jī)在實(shí)現(xiàn)消隙時(shí)通過(guò)反饋引入偏置電流，使其與電樞電流疊加，通過(guò)電樞電流與負(fù)載力矩的正比關(guān)系，使主從電機(jī)之間產(chǎn)生力矩差，從而使倉(cāng)體外電機(jī)的末級(jí)齒輪與主齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)消隙。其原理如圖3所示。

圖3在電流調(diào)節(jié)器的前端增加了消隙控制單元與速度調(diào)節(jié)器相連，將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅值相同、方向相反的電流信號(hào)，與電機(jī)的反饋信號(hào)一同傳輸?shù)诫娏髡{(diào)節(jié)器輸入端，以此來(lái)控制電流環(huán)的輸入，使2臺(tái)電機(jī)之間產(chǎn)生力矩差，達(dá)到消隙效果。

圖3 電樞電流框圖Fig.3 Armature current diagram

2.3 雙電機(jī)消隙的不足

雖然上述雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠達(dá)到較好的消隙效果，但因電機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的差異，難免會(huì)出現(xiàn)異常情況。

(1) 在天線預(yù)置或高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主從電機(jī)有一臺(tái)電機(jī)經(jīng)過(guò)總電樞電流等于零，此時(shí)對(duì)應(yīng)力矩為零，末級(jí)齒輪與主齒輪之間會(huì)產(chǎn)生嚙合間隙，造成齒輪滑動(dòng)，引起差速振蕩。

(2) 雖然同軸上的2臺(tái)電機(jī)是同型號(hào)、參數(shù)值相同的，且元器件特性也相同，但在實(shí)際應(yīng)用中，所發(fā)揮出的特性也會(huì)略有差別，速度環(huán)路所產(chǎn)生的信號(hào)不可能完全一致。若偏差太大，則會(huì)造成電機(jī)差速震蕩，無(wú)法消除。

因此，為解決天線伺服在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)上述差速振蕩的問(wèn)題，需通過(guò)差速震蕩抑制的方法來(lái)消除設(shè)備故障[6]。

3 差速震蕩抑制方法設(shè)計(jì)

3.1 差速振蕩抑制方案構(gòu)想

伺服天線中常用的和速反饋抑制方法將2臺(tái)電機(jī)輸出的速度信號(hào)取和后作為速度環(huán)的反饋信號(hào)，完成速度環(huán)閉環(huán)，如圖4所示。

圖4 和速反饋控制方法原理框圖Fig.4 Principle block diagram of sum speed feedback control method

由圖4可以看出，2臺(tái)測(cè)速機(jī)輸出的反饋和速度信號(hào)與指令速度信號(hào)做差后得到速度誤差信號(hào)，再經(jīng)速度調(diào)節(jié)器校正后同時(shí)加到2臺(tái)電機(jī)的電流環(huán)輸入端，同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制。同時(shí)在速度調(diào)節(jié)器與2個(gè)電流環(huán)之間設(shè)置力矩偏置電路，通過(guò)力矩差來(lái)消除齒輪消隙。

在電機(jī)的運(yùn)行中存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為在電流變化過(guò)程中存在偏置電流與驅(qū)動(dòng)電流相抵消的情況，引起差速振蕩[7]。因此在和速反饋的基礎(chǔ)上考慮增加差速反饋比較環(huán)路，形成具有差速反饋的反饋方案，解決和速反饋環(huán)路易出現(xiàn)的差速震蕩問(wèn)題。

引入差速反饋抑制差速振蕩能夠抵消振蕩的阻尼力矩。對(duì)于速度調(diào)節(jié)器，為了避免2臺(tái)速度調(diào)節(jié)器器件的差異造成電流調(diào)節(jié)器輸入幅值不同，而影響速度環(huán)的控制。在速度調(diào)節(jié)器輸出端增加比較器進(jìn)行輸出信號(hào)幅值比較，將比較信號(hào)補(bǔ)償?shù)剿俣日{(diào)節(jié)器輸入端，以彌補(bǔ)器件差異[8]，原理框圖如圖5所示。

圖5 負(fù)反饋差速震蕩控制方法原理框圖Fig.5 Principle block diagram of negative feedback differential oscillation control method

3.2 差速振蕩抑制電路設(shè)計(jì)

差速震蕩抑制電路如圖6所示。

圖6 差速震蕩抑制電路Fig.6 Differential oscillation suppression circuit

本文采用共同速度環(huán)的方式對(duì)電流的輸出進(jìn)行指令控制，通過(guò)梯形偏置電路實(shí)現(xiàn)電消隙，主要是通過(guò)對(duì)主從電機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏置指令和差速反饋信號(hào)相位值取反實(shí)現(xiàn)。此處主要采用電樞反接的方式使實(shí)際相位值相反，但同時(shí)要注意由于電樞反接，為保證2臺(tái)電機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)輸出電流指令取反相。

差速反饋通常采用的方式有PI和PID兩種，為了更好地限制超調(diào)量，采用PID進(jìn)行控制，由于系統(tǒng)中存在高頻干擾，不利于控制，所以在PID調(diào)節(jié)器前引入濾波電路進(jìn)行濾波。PID調(diào)節(jié)器原理如圖7所示。

圖7 并聯(lián)PID調(diào)節(jié)器原理Fig.7 Principle of parallel PID regulator

圖7中，N與R1，C1和R2，C0構(gòu)成了PID控制器，Uc輸出信號(hào)直接接入2臺(tái)電機(jī)各自的電流環(huán)輸入端，與電流指令信號(hào)和偏置指令信號(hào)一起作為電流環(huán)的輸入[9]。對(duì)該系統(tǒng)增加差速反饋信號(hào)輸入如圖8所示。

圖8 差速抑制電路Fig.8 Differential suppression circuit

在雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)差速抑制的實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮以下2個(gè)方面：

(1) 從2臺(tái)電機(jī)的測(cè)速機(jī)提取出的差速振蕩信號(hào)應(yīng)是相減的，經(jīng)過(guò)濾波之后從N1輸入；

(2) 采用帶通濾波器和電位器解決測(cè)速機(jī)之間的非線性和靈敏度不一致問(wèn)題。

通過(guò)以上工作，完成了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)差速抑制電路的參數(shù)選擇與調(diào)試和電路的設(shè)計(jì)。

3.3 差速振蕩抑制性能仿真

完成對(duì)差速負(fù)反饋震蕩抑制電路的參數(shù)選擇和電路改進(jìn)后，對(duì)和速反饋抑制的速度環(huán)階躍響應(yīng)和引入負(fù)反饋、比較器的差速速度環(huán)階躍響應(yīng)進(jìn)行仿真，如圖9所示。

圖9 差速抑制性能仿真Fig.9 Simulation of differential suppression performance

通過(guò)對(duì)比可以看出，改進(jìn)后的速度環(huán)階躍響應(yīng)上升時(shí)間較改進(jìn)前明顯縮短，調(diào)整時(shí)間寬度較改進(jìn)前明顯縮短，振動(dòng)幅度明顯變小。改進(jìn)后速度環(huán)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性較改進(jìn)前有所提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)雙電機(jī)消隙方法的深入研究，齒隙電消隙技術(shù)日益成熟，使多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于高精度的天伺饋系統(tǒng)中。然而在常規(guī)數(shù)據(jù)接收任務(wù)中，因器件的差異特性及設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的特殊情況導(dǎo)致的差速振蕩偶有發(fā)生，促使差速震蕩抑制方案不斷改進(jìn)、抑制電路不斷改進(jìn)和優(yōu)化。本文針對(duì)原有的差速抑制電路進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，同時(shí)分析了差速震蕩的機(jī)理及電消隙方法，通過(guò)比對(duì)消隙力矩和消隙電流的變化特點(diǎn)進(jìn)行了深入剖析，指出了和速反饋方法對(duì)差速振蕩抑制的不足，在原有和速反饋基礎(chǔ)上保留原偏置電路，提出引入差速負(fù)反饋，在速度調(diào)節(jié)器輸出端增加比較器，用于速度差補(bǔ)償，并仿真驗(yàn)證了該方案對(duì)速度環(huán)路性能改進(jìn)的可行性。

本文研究討論的消隙方法、差速震蕩抑制方案，既有深入的理論剖析，又有仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性，對(duì)常用的固定式或移動(dòng)式伺服設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。