并聯(lián)雙電動缸同步控制策略研究及實現(xiàn)方法

趙旭昌，劉海陽，劉佑民，楊金波

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

近年來，電驅(qū)伺服技術(shù)發(fā)展迅速，其相比于電液驅(qū)動系統(tǒng)無跑冒滴漏問題，并且具有響應(yīng)速度快、可頻繁啟停等優(yōu)點，因此在伺服控制工業(yè)領(lǐng)域有逐漸替代電液伺服系統(tǒng)的趨勢。以電驅(qū)技術(shù)為基礎(chǔ)依托的電動缸相比液壓缸或氣動缸，具有傳動效率高、定位精度高等優(yōu)點。目前工程界對單個電動缸控制的研究成果較多，但是在雙電動缸并聯(lián)機構(gòu)的運動控制成果有限，文獻[2]通過數(shù)學(xué)仿真研究了雙電動缸位置同步控制起豎的理論特性，文獻[3]在船舶舵機控制系統(tǒng)中采用力矩同步控制進行了應(yīng)用研究，該2 項研究分別在理論和部分領(lǐng)域驗證了并聯(lián)雙電動缸的應(yīng)用可行性，但在本文研究的高轉(zhuǎn)速、長行程起豎系統(tǒng)中其可行性仍待研究和驗證。

針對當(dāng)前并聯(lián)電動雙缸控制系統(tǒng)研究遺留的問題，本文主要以某型號使用的雙電動缸起豎為研究對象，通過對系統(tǒng)模型的仿真研究，對比2 種同步控制策略的優(yōu)劣勢，并對試驗過程中的數(shù)據(jù)進行分析，最終驗證速度同步控制策略的有效性，能夠滿足系統(tǒng)應(yīng)用的指標(biāo)要求。

1 電動缸雙缸起豎系統(tǒng)建模

電動雙缸起豎系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)主要是由并聯(lián)的2 套電動缸四連桿機構(gòu)組成，其中電動缸采用伺服電機驅(qū)動，傳動系統(tǒng)采用減速器加滾柱絲杠傳動方式，電動缸的構(gòu)造原理是伺服電機帶動滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為缸的直線運動。

起豎控制系統(tǒng)的組成包括控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機及編碼器，本文研究的起豎系統(tǒng)中伺服電機選用的是永磁同步電機（ Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM），其簡化數(shù)學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 電機系統(tǒng)Fig.1 PMSM System

從電機模型分析得出，電機工作在速度控制模式下控制結(jié)構(gòu)由2 個環(huán)組成，分別是力矩環(huán)和速度環(huán)，主要表現(xiàn)出2 階系統(tǒng)特性，工作在位置控制模式下由3個環(huán)組成，分別是力矩環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，主要表現(xiàn)出3 階系統(tǒng)特性，每增加1 個環(huán)路從而對其控制器設(shè)計的難度和成本將會成倍增加。

系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線與頻率響應(yīng)曲線分別如圖2、圖3 所示，在速度工作模式下，系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)15%，圖3 顯示在約24 Hz 處有一阻尼比極小的諧振峰，系統(tǒng)的相角裕度約為-89°。

圖2 階躍響應(yīng)的試驗與仿真曲線Fig.2 Step Response Curve of Experiment and Simulation

圖3 起豎系統(tǒng)開環(huán)伯德圖Fig.3 Bode Diagramof Erect System

對于雙電動缸起豎系統(tǒng)，編碼器的選擇同樣重要。目前主流的編碼器從測量原理上區(qū)分有2 種類型：絕對式編碼器和增量式編碼器?？紤]系統(tǒng)的可靠性和性價比，在系統(tǒng)設(shè)計中必須深度分析二者的系統(tǒng)適應(yīng)性。

絕對式編碼器最早是從19 世紀(jì)60 年代初期發(fā)展起來，在數(shù)字經(jīng)緯儀、航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，具有零位記憶，輸出角度代碼單值，沒有累積誤差，抗干擾能力強等優(yōu)點。增量式光電編碼器在使用過程中存在一定的缺陷，一旦出現(xiàn)斷電或外部有干擾的情況，就會導(dǎo)致脈沖的丟失，零點也會發(fā)生偏移，并且偏移量無法計算獲得。此外，增量式光電編碼器還存在零點累積誤差、開機需要重新找零點、停機記憶消失以及抗干擾能力比較差等問題。而絕對式光電編碼器克服了以上缺陷，能在有電氣噪聲或者振蕩的環(huán)境中正常使用。增量式編碼器因加工工藝相對簡單并且造價低廉而得到廣泛應(yīng)用。絕對式光柵編碼器與增量式光電編碼器的本質(zhì)區(qū)別體現(xiàn)在主光柵的碼盤結(jié)構(gòu)上，如圖4 所示。

圖4 絕對式編碼器和增量式編碼器碼盤結(jié)構(gòu)比較Fig.4 Structure Comparison between Absolute Encoder and Incremental Encoder

圖4中可看出絕對式編碼器具有多條碼道，在任意角度位置具有唯一的角度編碼；增量式編碼器的主光柵一般具有3 個碼道，外圈增量碼道用以產(chǎn)生計數(shù)脈沖，內(nèi)圈辨向碼道與增量碼道刻線數(shù)目相同但是錯開1/4 柵距用以判別轉(zhuǎn)向（即通過光電信號轉(zhuǎn)換采集到1 個與增量信號相位差相差90°的正弦信號），另有一個有參考刻線的零位碼道用以產(chǎn)生零位參考信號，由于不能直接獲得任意角度位置的編碼，故使用增量式編碼器找零是上電后必須首先進行的過程。

型號應(yīng)用方面大多采用絕對式編碼器，其典型應(yīng)用是在某運載型號的轉(zhuǎn)彎行走系統(tǒng)；在天文望遠鏡速度跟蹤系統(tǒng)中，采用高精度增量式光柵編碼器進行測量。2 種類型的編碼器功能及性能對比匯總?cè)绫? 所示，通過比較可知對可靠性要求高，或者對絕對位置精度有需求的系統(tǒng)必須選擇絕對式編碼器。

表1 編碼器性能對比Tab.1 Encoder Property Comparison

2 同步控制策略比較

運動同步控制是保證雙缸起豎可靠的關(guān)鍵，該系統(tǒng)有2 種同步控制方案：方案1 是選用純位置同步控制策略，將其中之一作為主動缸，另一缸作為從動缸，從動缸根據(jù)主動缸的運動位置跟隨主動缸運動，從而保持同步；方案二是速度同步控制加位置補償策略，從動缸跟隨主動缸速度保持同步運動，純速度同步從原理上會引入系統(tǒng)累計誤差，影響同步運動控制精度，所以增加靜態(tài)位置補償，從而消除累計誤差隱患。

方案1 位置同步控制系統(tǒng)復(fù)雜，在工程實現(xiàn)上調(diào)試周期較長，同時由于電動缸軸慣量較大，位置響應(yīng)時間更長，電機電流沖擊更大，雖然不會產(chǎn)生累計誤差，但是動態(tài)誤差嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性；方案2 速度同步控制系統(tǒng)相對簡單，工程實現(xiàn)效率更高，采用絕對式編碼器作為測量元件，增加的位置補償手段可消除累計誤差，從而對系統(tǒng)可靠性有所保障。2 種同步方案性能對比匯總，如表2 所示。

表2 2 種方案性能對比Tab.2 Comparison of the Two Methods

本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線分布式控制結(jié)構(gòu)，由于CAN 總線為非實時現(xiàn)場總線，因此在實現(xiàn)同步控制時必須進行雙缸控制時鐘同步。在本系統(tǒng)中有2種解決方案：方案1 引入1 個專門的同步時鐘控制器，通過同步控制器并行控制2 個電動缸，該方案多增加1 個硬件設(shè)備，使得系統(tǒng)可靠性降低；方案2 不增加硬件設(shè)備，將2 個缸的驅(qū)動器通過RS485 進行點對點通信，以其中1 個驅(qū)動器的時鐘作為同步控制時鐘，該方案僅適用于雙缸同步控制，再增加同步缸將使得同步性變差、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但是對于本系統(tǒng)，該方案是最宜改造實現(xiàn)的，同時在本系統(tǒng)應(yīng)用過程中為保證同步安全可靠，將電機使能和速度給定設(shè)置為互鎖狀態(tài)，即從動缸使能開關(guān)指令控制雙缸驅(qū)動器使能，主動缸速度指令控制雙缸同步速度指令，控制結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 電動雙缸同步控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Synchronous ControlStructure of Parallel Electrical Cylinder

3 系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)分析

電動雙缸的1 次起豎數(shù)據(jù)曲線如圖6 所示。

圖6 電動雙缸起豎數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Twin-cylinder Vertical Erection Process Data Curve

起豎過程雙杠位移差保持在1.6 mm，缸伸出長度變化2040.3 mm，起豎至90°主缸由18.6 mm 伸出至2058.9 mm，從缸由17 mm 伸出至2057.3 mm，起豎過程中最大工作電流主缸 22.35 A（電機輸出扭矩45.59 N·m）、從缸19.95 A（電機輸出扭矩40.70 N·m）。

表3 起豎缸數(shù)據(jù)對比Tab.3 Difference of the Two Electric Cylinder

通過分析過程數(shù)據(jù)可以看出電動雙缸的過程位移差始終保持一個穩(wěn)定值范圍，速度同步控制過程中雙缸位移差動態(tài)誤差在0.5 mm 以內(nèi)。起豎過程中雙缸電流值平穩(wěn)，沒有大電流振動沖擊現(xiàn)象，更能保證導(dǎo)彈起豎過程的安全可靠性。

電動缸速度同步模式起豎 1 次位移累積誤差0.0018 mm，起豎回平往復(fù)一次累積誤差0.00 036 mm，由于導(dǎo)彈起豎是一個往復(fù)運動，不是單方向運動，所以系統(tǒng)累計誤差不會朝一個方向累積增大，正常使用過程中會平衡在一個穩(wěn)定區(qū)間，位置靜態(tài)補償僅是在出現(xiàn)嚴(yán)重偏載波動或故障導(dǎo)致不同步后，再進行靜態(tài)同步調(diào)整，將位移差重新調(diào)整到2 mm 范圍內(nèi)。

4 與液壓缸起豎對比分析

液壓缸雙缸起豎系統(tǒng)是將電動缸替換為單級液壓缸進行相同負(fù)載起豎，液壓雙缸同步控制是通過對從缸的充、放油實現(xiàn)起豎過程中雙缸同步。電動缸雙缸起豎與液壓缸同步硬件比較，省略了拉線位移傳感器，避免傳感器長時間外露使用造成傳感器測量準(zhǔn)確性下降。圖7 為液壓雙缸起豎其中一次聯(lián)動起豎試驗數(shù)據(jù)。

圖7 液壓雙缸起豎位移差曲線Fig.7 Position Error Curve of Hydraulic Cylinder Erection

從圖7 中可以看出雙缸位移差最大均控制在2mm范圍內(nèi)，由于液壓同步控制是當(dāng)位移差超過1 mm 便進行充油或放油操作，所以誤差波動較大會使得雙缸動載荷變大，從而會影響系統(tǒng)的可靠性。

圖8為電動缸起豎過程中雙缸位移差曲線。與圖7對比可以看出，電動缸速度跟蹤精度更好、響應(yīng)更快，并且啟動誤差也相對液壓系統(tǒng)更小，過程中誤差基本保持不變，較液壓系統(tǒng)充、放油方案不存在多余補償或過補償?shù)默F(xiàn)象。

圖8 電動缸起豎位移差曲線Fig.8 Position Error Curve of Electric Cylinder Erection

5 結(jié)束語

通過對電動雙缸系統(tǒng)建模分析及對2 種同步控制策略比較分析，最終通過速度同步試驗驗證該控制策略的有效性，能夠滿足應(yīng)用需求，系統(tǒng)試驗表明同步精度能夠保證在1 mm 范圍內(nèi)，實測精度不超過0.5 mm，能夠保證雙缸運動始終在可接受的同步位移差范圍內(nèi)，能夠確保起豎的安全可靠。