無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)多電機(jī)同步控制方法研究

梁定軍

廣東美的白色家電技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，中國(guó)·廣東 佛山 528311

1 引言

隨著民眾生活水平不斷提升，對(duì)商品精美性的要求也隨之提升。由此，印刷行業(yè)在此背景影響下，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等提出無(wú)軸印刷技術(shù)，并以此取代長(zhǎng)軸印刷技術(shù)。所謂無(wú)軸印刷僅是至設(shè)備內(nèi)部每個(gè)機(jī)組均處于獨(dú)立狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)控制器的指令控制下由單獨(dú)的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而使得各機(jī)組之間呈現(xiàn)出同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 無(wú)軸傳動(dòng)同步控制系統(tǒng)概述

2.1 無(wú)軸傳動(dòng)原理

在一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)械傳動(dòng)一種占據(jù)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的主流地位，該形式在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要由主電機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)各傳統(tǒng)軸，利用齒輪機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器等機(jī)械構(gòu)件為設(shè)備內(nèi)的傳動(dòng)軸輸出動(dòng)力，主軸部件則負(fù)責(zé)向各個(gè)從動(dòng)單元分配扭矩，機(jī)械式變速器對(duì)傳動(dòng)軸速度進(jìn)行控制。該模式的優(yōu)勢(shì)在于各個(gè)傳動(dòng)軸之間位置以及速度同步性較好，出現(xiàn)同步相位偏差的概率相對(duì)較小。但是隨著印刷對(duì)控制精度、實(shí)時(shí)控制等要求的不斷提升，機(jī)械傳動(dòng)的弊端逐漸出現(xiàn)，并被無(wú)軸傳動(dòng)所取代。

在無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)中，純機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)被取消，各機(jī)組由專門的電機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，整體同步控制方面則通過(guò)軟件算法集合硬件級(jí)聯(lián)達(dá)成。無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)通知起發(fā)送的信號(hào)對(duì)各伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)成設(shè)備內(nèi)各機(jī)組同步運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。從本質(zhì)層面分析，無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)屬于一種綜合性傳動(dòng)技術(shù)，其實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合了電子凸輪、電子齒輪、自動(dòng)控制技術(shù)等多種技術(shù)。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 同步控制原理

在無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求各機(jī)組達(dá)成同步要求，但是考慮到交流伺服電機(jī)具備較強(qiáng)的非線性以及強(qiáng)耦合性特征，使得該系統(tǒng)成為非線性、強(qiáng)耦合、實(shí)變的多輸入多輸出系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行整合可知，其主要性能指標(biāo)要求具備速度以及位置同步。為達(dá)成此指標(biāo)要求，需要控制設(shè)備內(nèi)各電機(jī)軸依照一定的速度或是位置進(jìn)行同步運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，同步關(guān)系是受各個(gè)受控量應(yīng)滿足某種線性或非線性函數(shù)關(guān)系，具體如下所示：

為比例系數(shù)，在設(shè)備被各電機(jī)同步比例系數(shù)取值為1的條件下，是最簡(jiǎn)單的同步關(guān)系。當(dāng)同步比例系數(shù)如下式情況時(shí)，則可認(rèn)定為比例同步。

所謂多電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)即是指在各電機(jī)在速度或位置在瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)條件下保持同步運(yùn)轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受靜態(tài)負(fù)載波動(dòng)、外部環(huán)境變化等情況下，不可避免地會(huì)導(dǎo)致電機(jī)傳動(dòng)速度出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致不同步問(wèn)題出現(xiàn)。由此，在實(shí)際對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以降低出現(xiàn)同步誤差的幾率。然而，從實(shí)際發(fā)展情況分析，僅靠伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部調(diào)控很難實(shí)現(xiàn)確保電機(jī)同步性的目的。因此，要使系統(tǒng)中的多個(gè)電機(jī)能夠按給定的指標(biāo)進(jìn)行同步運(yùn)行，就必須選用合適而可靠的同步控制策略及控制算法。通過(guò)軟件算法來(lái)模擬各軸之間的傳動(dòng)關(guān)系并對(duì)各個(gè)軸輸入量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而克服系統(tǒng)中導(dǎo)致不同步的干擾因素，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的實(shí)時(shí)同步運(yùn)行。

3 無(wú)軸傳動(dòng)多電機(jī)同步控制策略

電子虛擬總軸控制策略在是一種模擬機(jī)械傳動(dòng)形式的策略。在該模式中，利用電子總軸作為傳動(dòng)動(dòng)作的主導(dǎo)地位，其他各機(jī)組在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中跟隨電子總軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，各機(jī)組以及電子長(zhǎng)軸的耦合利用轉(zhuǎn)矩綜合以及反饋實(shí)現(xiàn)。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。虛擬的電子總軸是單一的速度調(diào)節(jié)，它為從屬軸提供速度和位置參考值。穩(wěn)態(tài)時(shí)，各個(gè)軸跟隨電子總軸，能夠達(dá)到很好的同步效果。當(dāng)一個(gè)軸受到干擾或者由于某些原因偏離給定值時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩的綜合和反饋，使電子總軸感受到這種變動(dòng)，從而迫使其他軸跟隨這種變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在瞬態(tài)時(shí)各個(gè)軸的同步運(yùn)動(dòng)[2]。

圖2 電子虛擬總軸控制結(jié)構(gòu)框圖

3.1 參數(shù)設(shè)置

相較機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，電子虛擬總軸的優(yōu)勢(shì)在于控制器參數(shù)可以靈活調(diào)整，同時(shí)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中無(wú)阻尼消耗。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以確保其無(wú)震蕩、快速響應(yīng)，并具備較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)剛度，為各軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)提供基本條件支持。在實(shí)際進(jìn)行參數(shù)設(shè)置過(guò)程中主要分為虛擬總軸設(shè)置以及從軸控制器參數(shù)設(shè)置兩方面。

針對(duì)從軸控制器參數(shù)設(shè)置方面，設(shè)計(jì)者需要依據(jù)實(shí)際需求的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)阻尼以及剛度進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置原則為系統(tǒng)具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，運(yùn)行過(guò)程中不出現(xiàn)振蕩情況，同時(shí)具備較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)剛度。在實(shí)際調(diào)整過(guò)程中需要認(rèn)識(shí)到對(duì)阻尼以及剛度進(jìn)行調(diào)整，分別可以達(dá)成獲取較好動(dòng)態(tài)相應(yīng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度的效果。

3.2 仿真分析

由圖2所示的電子虛擬總軸結(jié)構(gòu)框圖可知，該策略可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展至任意多軸的目的。由此，論文研究中以兩軸系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

本次試驗(yàn)過(guò)程中假設(shè)無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)，在兩軸中分別選取不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中以及分別設(shè)定為0.3kg/m2以及0.1kg/m2，以此實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證控制策略同步性能的目的。本次試驗(yàn)中涉及的仿真參數(shù)包括,其數(shù)值分別設(shè)計(jì)為、30、20、15、10。

電子虛擬總軸控制策略的虛擬主軸是單一的速度調(diào)節(jié)。因此，在關(guān)心速度偏差和位置偏差的同時(shí)，也需要對(duì)兩軸的速度響應(yīng)情況進(jìn)行測(cè)定。由仿真測(cè)試結(jié)果可知，在系統(tǒng)不受負(fù)載擾動(dòng)影響的情況下，各軸在經(jīng)過(guò)調(diào)整后，其速度相應(yīng)可以達(dá)到跟蹤電子總軸速度給定的目的，進(jìn)而達(dá)成消除偏差的目標(biāo)。

在對(duì)其進(jìn)行具體分析后，可得出如圖3、圖4所示結(jié)果。由圖中的信息可知，即使無(wú)擾動(dòng)影響，各軸參數(shù)依然存在一定差異，但是在電子虛擬總軸的作用下，利用轉(zhuǎn)矩綜合以及反饋可以有效實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)消除偏差，最終達(dá)成同步控制目標(biāo)。

圖3 速度偏差

圖4 位置偏差

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前時(shí)代背景下，無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)取代以往機(jī)械長(zhǎng)軸傳動(dòng)技術(shù)的地位。針對(duì)當(dāng)前控制不同步問(wèn)題，論文以電子虛擬長(zhǎng)軸作為解決方案，并進(jìn)行深入研究。最終仿真結(jié)果可知，該技術(shù)可以有效消除偏差，進(jìn)而達(dá)成多電機(jī)控制同步的目的。由此，此方面具備一定應(yīng)用價(jià)值[3]。