雙電機同步驅(qū)動伺服壓力機控制策略研究

蒙李鑫，劉 辰

（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048）

1 引言

機械壓力機與伺服驅(qū)動系統(tǒng)相配合，可使壓力機滑塊運動靈活自由，閉環(huán)的控制系統(tǒng)可以使下死點重復精度提高，同時成形工藝的柔性和適應性更好。目前雖然有一些超大功率單機伺服電機的產(chǎn)品，但是其容量相對于大型伺服壓力機的應用還是偏小。對于大型伺服壓力機大多還是采用類似圖1所示的多電機同步驅(qū)動的工作方式提升壓力機的功率。

多電機驅(qū)動方式可以有效分散電機動力，避免出現(xiàn)單個大容量電機及其驅(qū)動器設計制造成本過大的問題。同時多電機驅(qū)動有時也可以更好地平衡壓力機傳動結(jié)構的受力[1，2]。

圖1 一種雙電機驅(qū)動伺服機械式壓力機傳動結(jié)構

多電機驅(qū)動雖然可以通過增加電機數(shù)量的方式實現(xiàn)驅(qū)動功率的增加。但是由于傳動系統(tǒng)的結(jié)構特點，通常需要伺服壓力機的多個驅(qū)動電機同步運轉(zhuǎn)。因此為了保證電機運轉(zhuǎn)的同步性，就需要實現(xiàn)多電機的同步協(xié)調(diào)控制。其目的都是為了保證多電機在運行時有用相同的動態(tài)響應，使得多電機控制起來具有和單電機一樣或相似的特性。

現(xiàn)今實際工程應用中，對于多電機同步控制大體可劃分為4類[3]。第一類采用并聯(lián)控制方式，同時給各個電機相同的控制信號，實現(xiàn)多電機的同步運動[4，5]。該方法可以實現(xiàn)多電機的相同啟動特性。第二類采用串聯(lián)控制，即首臺電機響應控制指令，該電機的檢測指令作為控制信號傳遞給后一臺電機實現(xiàn)同步跟蹤控制[6]。第三種方法通過采集兩臺電機信息進行交叉互補方式，縮小電機間速度差并進行同步[7]。最后一種方式是采用現(xiàn)代控制方法通過采用如自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制等智能化的控制算法來結(jié)合交流伺服驅(qū)動器硬件解決模型控制中的各種不確定性，實現(xiàn)多電機同步運轉(zhuǎn)[8，9]。作為雙電機同步控制策略的補充，本文提出一種全閉環(huán)誤差補償主從控制策略應用于雙電機驅(qū)動機械式伺服壓力機。

2 雙電機驅(qū)動伺服壓力機的控制

為避免兩電機運動時的互相干擾并實現(xiàn)多電機同步轉(zhuǎn)矩輸出，本文采用電機主從控制方法。對于壓力機的滑塊誤差，本文設計基于誤差信號偏置運動指令的全閉環(huán)控制方法。將兩部分結(jié)合構成了新的帶有誤差補償?shù)娜]環(huán)主從控制方法，其結(jié)構如圖2所示。

該控制器的主結(jié)構為全閉環(huán)結(jié)構，但兩電機控制還是采用主從結(jié)構。由壓力機滑塊位置的反饋控制與期望位置進行對比，結(jié)合一個誤差觀測器補償控制誤差，之后通過壓力機結(jié)構的運動學關系計算出電機的控制位置。電機1采用該位置信號做位置環(huán)的閉環(huán)控制，電機2使用主從方式與電機1保持轉(zhuǎn)矩同步。圖2中的補償器的原理是將誤差放大并與原始位置指令相加，通過偏移位置指令計算電機位置，將電機及傳動機構的誤差補償給滑塊的位置，確保滑塊運動精度。也就是說通過主動增加原始位移指令偏差抵消實際誤差，使滑塊真實位移接近原始指令，而控制器內(nèi)部依然保留誤差。該閉環(huán)系統(tǒng)誤差補償器的采用如下表達式：

式中：Gerr——誤差補償器增益，經(jīng)過仿真測試，其值設定為50。

這種方法不改變控制器參數(shù)。避免了采用傳統(tǒng)控制方法時，滑塊接近期望點時控制量的抖振或穩(wěn)態(tài)誤差過大的情況。通過Matlab結(jié)合伺服壓力機動力學模型仿真測試該控制器的控制效果，其結(jié)果如圖3所示。

從仿真效果可以看出新的控制方法很好地控制壓力機的運行，并很快的補償兩電機之間的初始角度誤差，兩電機可以同時輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，使電機保持扭矩的最大利用率。同時誤差補償器也很好的起到了修正傳動環(huán)節(jié)誤差的作用。

圖2 帶有全閉環(huán)誤差補償?shù)膬呻姍C主從控制方法

圖3 帶有全閉環(huán)誤差補償?shù)膬呻姍C主從控制仿真

3 兩電機驅(qū)動的雙肘桿交流伺服機械式壓力機控制實驗

本文以如圖4所示的公稱壓力級為1600kN的兩電機同步驅(qū)動的雙肘桿伺服式壓力機為應用對象對本文所提控制策略進行試驗。

圖4 兩電機驅(qū)動雙肘桿伺服壓力機

圖中所示的伺服壓力機采用了兩驅(qū)動單元。每個驅(qū)動單元包括一臺22kW伺服電機和一個減速器。上位機軟件平臺采用Matlab/Simulink環(huán)境并結(jié)合實時工具箱（RTW）進行快速原型的開發(fā)和修改。通過工控機結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡的硬件組合使用模擬量信號傳遞實現(xiàn)伺服壓力機的控制。

由于本實驗中采用Simulink中的RTW工具箱快速開發(fā)。因此可以在之前兩電機同步控制仿真程序的基礎之上通過定義數(shù)據(jù)的輸入輸出端口和采樣頻率等信息，替換掉之前的壓力機動力學模型，實現(xiàn)從仿真到實物的快速轉(zhuǎn)換。設定運動指令為標準沖壓工藝。空行程采用以電機為目標的運動規(guī)劃，慢沖過程采用以滑塊位移為目標的運動規(guī)劃。設定空行程電機速度限制為2000rpm，電機加速度限制為157rad·s-2。慢沖行程滑塊的速度限制為0.001m·s-1，加速度限制為0.002m·s-2。通過調(diào)整裝模高度，確定下死點位置，設定滑塊一個運動周期的總行程為50mm，包含在總行程之中的工作行程長度為20mm。按照此工藝運動過程規(guī)劃壓力機的運動。在雙肘桿伺服壓力機上采用厚度為1mm的ST12普通冷軋鋼進行拉深實驗。伺服壓力機的位移響應如圖5所示。

圖5 拉深過程滑塊位移與誤差

由以上結(jié)果可以看出本研究所提出的采用誤差反饋的指令偏置控制加兩電機主從控制方法可以很好地實現(xiàn)兩電機驅(qū)動的雙肘桿伺服壓力機主滑塊位移控制。整個運動過程中的滑塊在運動速度較快的快下和急回過程中誤差較大，最大達到0.5mm。但是由于滑塊在這個運動區(qū)間內(nèi)并未進行加工，所以該誤差不影響加工。在工作行程中，主滑塊帶動的上模具首先對板材進行剪切，剪斷的瞬間，滑塊的受力出現(xiàn)巨大變化，而電機響應出現(xiàn)滯后，因此滑塊出現(xiàn)過沖的情況，滑塊的位移超過設定值2mm左右。經(jīng)過一個很短的時間，電機輸出力矩恢復到拉深所需的力矩大小，壓力機滑塊位移回到設定軌跡上。慢沖過程滑塊的機械運動在比較穩(wěn)定的狀態(tài)下，且誤差保持在很小的范圍內(nèi)。下死點時，滑塊的位移誤差在0.1mm左右，達到較高的定位精度。

拉深過程中壓力機的電機轉(zhuǎn)速變化如圖6所示。兩臺電機運轉(zhuǎn)的速度保持很高的同步性并且嚴格按照規(guī)劃的運動軌跡運動，實現(xiàn)了壓力機滑塊的準確運動。在快下和急回過程中，采用基于電機位置的軌跡規(guī)劃，所以電機轉(zhuǎn)速曲線表現(xiàn)出等腰三角形的變化規(guī)律。在拉深工作過程中采用基于滑塊位置的控制，由于連桿機構變傳動比的特性，電機運動出現(xiàn)由慢至快的運動規(guī)律。在剪切過程中由于出現(xiàn)力的不連續(xù)，導致電機轉(zhuǎn)速跳動，但是很快電機恢復穩(wěn)定運行。兩臺電機的轉(zhuǎn)速差基本處于0點附近波動。兩電機轉(zhuǎn)速差隨著壓力機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的升高有增加的趨勢，總體轉(zhuǎn)速的最大瞬時誤差小于15rpm。電機的轉(zhuǎn)速誤差包含了真實存在的誤差以及由離散采樣而產(chǎn)生的速度計算值不連續(xù)而產(chǎn)生的誤差，由于計算速度的刷新率過高，速度計算器對與編碼器反饋的單個脈沖響應敏感。考慮這些因素的影響，總體來看本研究所提控制方法很好地實現(xiàn)工程中的轉(zhuǎn)速同步。

壓力機拉深過程中的電機輸出轉(zhuǎn)矩如圖7所示。

從圖7中得出電機的驅(qū)動力矩隨壓力機滑塊的位移方向變化而變化，滑塊運動初段快下，電機提供了一個加速轉(zhuǎn)矩之后很快減小，在壓力機剪切工件時，電機出力快速增加，并在剪斷后迅速調(diào)整變小，隨著壓力機滑塊的勻速運動，工件被拉深。工件的成型力也會越來越大也符合圖中電機出力過程的變化。在運動到下死點之后，電機反向出力拉動滑塊向上移動。最終回到初始位置。兩電機輸出轉(zhuǎn)矩差在拉深過程當中基本保持在±0.2N·m之內(nèi)，該誤差幅值僅為額定扭矩的0.3%。在受到?jīng)_擊時，電機間轉(zhuǎn)矩差瞬間增大，但是很快恢復。這也證明兩電機在運轉(zhuǎn)時保持了良好的同步特性。同步的出力可以保證兩臺電機都處在最佳工作狀態(tài)。也驗證了本研究所提出的方法的可行性。

圖6 拉深過程中的電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速差

圖7 拉深過程中的電機輸出轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)論

本文針對雙電機同步驅(qū)動伺服壓力機的控制問題進行了討論，并提出了一種帶有全閉環(huán)誤差補償?shù)膬呻姍C主從控制方法，全閉環(huán)的外部控制結(jié)構實現(xiàn)壓力機滑塊的精確控制，主從控制有很好的實現(xiàn)雙電機的扭矩同步輸出，最大限度利用兩臺電機的出力。通過仿真及實驗驗證，本文所提方法可以在實現(xiàn)兩電機扭矩同步輸出的同時壓力機滑塊的精確控制。