雙直流伺服電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制方法研究

李金鵬

摘要： 隨著工業(yè)的發(fā)展，越來越多的場(chǎng)合應(yīng)用到多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，包括軍事，航空以及印刷和紡織等工業(yè)領(lǐng)域。為了提高多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，以及滿足一些特定系統(tǒng)對(duì)多電機(jī)精確同步的要求，多電機(jī)同步控制方法的研究變得越來越重要。例如一個(gè)高精度的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)可以應(yīng)用到航空器的對(duì)接和智能化雷達(dá)群的協(xié)調(diào)控制。

Abstract： With the development of industry， the multi-motor drive system is widely used in more and more areas including military， aviation and printing and textile industries. In order to improve the dynamic and steady-state performance of multi-motor drive system and to meet the requirements on its precise synchronization in some specific system， it is important to research the multi-motor synchronous control system. For example， a high-precision multi-motor synchronous control system can be applied to the coordination of aircraft docking and intelligent radar group.

關(guān)鍵詞： 控制；直流；同步

Key words： control；DC；synchronization

中圖分類號(hào)：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）02-0111-02

1 控制結(jié)構(gòu)

1.1 并行控制

雙直流伺服電機(jī)并行控制是一種典型的非耦合控制，這種控制算法在同步精度要求不高的很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，以兩臺(tái)電機(jī)組成的系統(tǒng)為例，在并行控制下，兩臺(tái)電機(jī)分別跟蹤用戶給定值，相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。這種結(jié)構(gòu)又被稱為并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，由于其各軸的運(yùn)動(dòng)控制回路采用相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)，兩個(gè)電機(jī)之間不存在任何交互聯(lián)系，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)受到未知擾動(dòng)而影響其輸出時(shí)，這種結(jié)構(gòu)無法保證雙電機(jī)之間的同步性能。所以并行控制只能用于沒有機(jī)械耦合的同步控制中，對(duì)于具有機(jī)械耦合的結(jié)構(gòu)，若是兩臺(tái)電機(jī)任意時(shí)刻產(chǎn)生位置環(huán)的不同步，極有可能造成機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞。

1.2 主從控制

主從控制是一種傳統(tǒng)的耦合控制，它是基于同一給定的串聯(lián)運(yùn)行方法，以前一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出作為下一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入。主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。主從控制系統(tǒng)在并行控制的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，設(shè)置了主從聯(lián)系的環(huán)節(jié)。主電機(jī)以用戶的給定速度作為參考值，在運(yùn)行過程中緊密跟蹤系統(tǒng)給定值，而從電機(jī)以主電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為自己的參考值，在運(yùn)行過程中緊密跟蹤主電機(jī)。當(dāng)主電機(jī)發(fā)生負(fù)載變化時(shí)，主電機(jī)輸出伴隨輸入有相應(yīng)的變化，因此從電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速也會(huì)有相應(yīng)的擾動(dòng)。當(dāng)從電機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，由于系統(tǒng)沒有從電機(jī)反饋環(huán)節(jié)，主電機(jī)沒有得到從電機(jī)負(fù)載變化的信息，因此繼續(xù)保持原有的響應(yīng)曲線，主從控制的這一特性與并行控制相似。主從控制方法簡單易行，但是啟動(dòng)過程跟隨性能不是很好，抗負(fù)載擾動(dòng)也不是十分理想。

1.3 偏差耦合控制

偏差耦合控制的兩臺(tái)電機(jī)分別跟蹤同一系統(tǒng)給定值，對(duì)主從電機(jī)反饋回來的速度差值作差，再進(jìn)行PID調(diào)節(jié)作為當(dāng)負(fù)載有變化時(shí)的速度反饋額外補(bǔ)償。偏差耦合控制的結(jié)構(gòu)如圖3。偏差耦合控制策略是目前雙直流伺服電機(jī)常用的控制方式。它在傳統(tǒng)耦合控制的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，設(shè)置速度補(bǔ)償器以及PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，使主從電機(jī)控制系統(tǒng)形成有效的反饋。當(dāng)某一臺(tái)電機(jī)負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，這時(shí)系統(tǒng)給定與轉(zhuǎn)速環(huán)反饋的差值發(fā)生變化，該差值與另一臺(tái)電機(jī)的給定與轉(zhuǎn)速環(huán)差值作差，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，形成一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，將該補(bǔ)償信號(hào)反饋到主從電機(jī)的控制系統(tǒng)。

2 仿真

建立雙直流伺服電機(jī)同步控制系統(tǒng)仿真電路原理圖之后。其中一臺(tái)看作是主電機(jī)，另一臺(tái)是從電機(jī)。設(shè)置給定轉(zhuǎn)速為1000r/min，以階躍信號(hào)的形式輸入。下面對(duì)三種同步控制方法進(jìn)行仿真，通過三種情況的仿真進(jìn)行分析，包括空載啟動(dòng)、負(fù)載干擾以及給定突變。

2.1 空載啟動(dòng)

三種同步控制系統(tǒng)的空載響應(yīng)曲線都在1.3s達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。由于并行控制的兩臺(tái)電機(jī)參數(shù)相同，所以空載響應(yīng)曲線重合。說明并行控制跟蹤系統(tǒng)給定的能力比較強(qiáng)，在沒有外界擾動(dòng)的情況下同步性能比較好。主從控制在啟動(dòng)初期，兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了失同步的現(xiàn)象，說明主從控制的兩臺(tái)電機(jī)跟隨性不是很理想。偏差耦合控制空載響應(yīng)曲線與并行控制相同，具備較好的同步性能。

2.2 負(fù)載擾動(dòng)

在生產(chǎn)過程中，外界擾動(dòng)是影響電機(jī)同步性能的主要因素。外界對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)包括負(fù)載阻力擾動(dòng)，風(fēng)阻力擾動(dòng)和摩擦阻力擾動(dòng)。在生產(chǎn)實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)的是負(fù)載阻力擾動(dòng)，同時(shí)這種擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)同步性能的影響也是最大的。由于系統(tǒng)對(duì)任何擾動(dòng)的響應(yīng)都可以反映到轉(zhuǎn)速的波動(dòng)上。所以我們可以將其它的擾動(dòng)通通轉(zhuǎn)化整合為負(fù)載阻力擾動(dòng)。因此本文忽略其它擾動(dòng)，只考慮負(fù)載擾動(dòng)一種情況是不會(huì)影響分析結(jié)果的。

本文考慮電機(jī)的負(fù)載能力和系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，在4秒的時(shí)刻給系統(tǒng)加一個(gè)負(fù)載。系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)分為兩種情況，一種是主電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)，另一種是從電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)，下面分情況討論。

并行控制中，無論主電機(jī)還是從電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)擾動(dòng)，另一臺(tái)電機(jī)都會(huì)保持原來的運(yùn)行方式，不會(huì)受到負(fù)載擾動(dòng)的影響，兩臺(tái)電機(jī)在0.8s以后重新進(jìn)入同步運(yùn)行的狀態(tài)。所以該控制方式在出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)同步精度比較差。在主從控制中，當(dāng)主電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，從電機(jī)會(huì)跟隨主電機(jī)而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的情況。但是從電機(jī)的擾動(dòng)則反映不到主電機(jī)的控制系統(tǒng)中，因此產(chǎn)生了暫時(shí)的失同步。兩種情況下主從控制系統(tǒng)受擾動(dòng)的影響時(shí)間大約為0.8s。兩臺(tái)電機(jī)在偏差耦合控制中，無論是哪臺(tái)電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)擾動(dòng)，另一臺(tái)電機(jī)都會(huì)伴隨擾動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)的情況。endprint

2.3 給定轉(zhuǎn)速突變

在4秒時(shí)刻使系統(tǒng)給定由1000r/min變?yōu)?00r/min，觀察三種控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。并行控制和偏差耦合控制的轉(zhuǎn)速突變響應(yīng)曲線相同，都會(huì)在突變出現(xiàn)后的1.1s恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，體現(xiàn)了很好的同步性能。而主從控制則在給定變化時(shí)出現(xiàn)了失同步的現(xiàn)象，說明主從控制的跟隨性能不是很理想。總之，無論是空載啟動(dòng)還是負(fù)載擾動(dòng)，給定轉(zhuǎn)速突變的情況，偏差耦合控制在同步性能方面都體現(xiàn)了一定的優(yōu)越性。

3 總結(jié)

本文通過對(duì)并行控制，主從控制，偏差耦合控制仿真，得到系統(tǒng)在空載啟動(dòng)，負(fù)載擾動(dòng)，給定速度突變?nèi)N情況下的響應(yīng)曲線。分析仿真結(jié)果得到，并行控制在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的同步性能比較好，但是在負(fù)載擾動(dòng)的情況下，由于主從電機(jī)分別跟蹤系統(tǒng)給定，兩者之間沒有有效的反饋環(huán)節(jié)，所以會(huì)產(chǎn)生比較大的同步偏差。主從控制在并行控制的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，主電機(jī)的輸出作為從電機(jī)的輸入，當(dāng)主電機(jī)負(fù)載變化，從電機(jī)負(fù)載不變的情況下，從電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線會(huì)跟隨主電機(jī)的負(fù)載擾動(dòng)而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的現(xiàn)象，體現(xiàn)了一定的同步性能，在這一點(diǎn)上主從控制要優(yōu)于并行控制。但是當(dāng)從電機(jī)出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，由于從電機(jī)的負(fù)載擾動(dòng)情況反饋不到主電機(jī)的控制系統(tǒng)，此時(shí)就會(huì)在主從電機(jī)之間產(chǎn)生同步偏差。所以主從控制的同步控制精度得不到保證。偏差耦合控制設(shè)置了轉(zhuǎn)速補(bǔ)償器，把兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差作為負(fù)載出現(xiàn)擾動(dòng)電機(jī)的額外補(bǔ)償。無論是主電機(jī)還是從電機(jī)出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)，兩臺(tái)電機(jī)都能彼此互相跟隨，保持比較好的同步性。對(duì)比幾種同步控制算法的同步性能，偏差耦合控制要明顯優(yōu)于以上兩種控制方法。

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