裴華剛

【摘要】針對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)的重載平臺(tái)，提出了交叉耦合控制和主從轉(zhuǎn)矩同步相結(jié)合的同步控制策略的同步控制策略。以DSP F2812為控制平臺(tái)設(shè)計(jì)了重載平臺(tái)四輪驅(qū)動(dòng)同步控制系統(tǒng)。本重載平臺(tái)控制系統(tǒng)通過(guò)前左右輪的交叉耦合控制和前后輪主從轉(zhuǎn)矩跟隨控制，具備更高的同步控制精度和更穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】重載平臺(tái);交叉耦合;轉(zhuǎn)矩同步

1.引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在航空、軍事、機(jī)械制造領(lǐng)域等需要多個(gè)執(zhí)行元件（液壓缸、氣缸、電機(jī)等），同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)工作部件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的場(chǎng)合越來(lái)越多，尤其是近年來(lái)在重載平臺(tái)、高性能數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人控制、熱軋立輥系統(tǒng)、大型鉆機(jī)以及軍用機(jī)動(dòng)雷達(dá)、防空武器發(fā)射平臺(tái)等領(lǐng)域，系統(tǒng)的同步精度的好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，然而不同的控制算法其控制精度和復(fù)雜程度差異很大，因此針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的同步控制策略具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

2.多電機(jī)同步控制策略

目前，多電機(jī)同步控制系統(tǒng)主要控制目標(biāo)包括轉(zhuǎn)速同步、位置同步及轉(zhuǎn)矩同步等。其中轉(zhuǎn)速及位置同步控制的研究較多，基于不同的控制結(jié)構(gòu)的多電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置同步控制策略主要有同一給定控制，主從控制，虛擬總軸控制，交叉耦合控制和偏差耦合控制等[2] [ 3]。

同一給定控制略系統(tǒng)中，各電機(jī)之間沒(méi)耦合，運(yùn)行過(guò)程中受到的擾動(dòng)不會(huì)反饋給其它電機(jī)，電機(jī)之間易會(huì)產(chǎn)生同步偏差，系統(tǒng)的同步精度不能夠得到保證，抗擾性也不夠理想。

主從同步控制以轉(zhuǎn)矩同步為目標(biāo)，目前主要采用的是轉(zhuǎn)矩主從控制策略。其原理是只保留主電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)，各從電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán);保留系統(tǒng)中各電機(jī)自身的轉(zhuǎn)矩環(huán)，各從電機(jī)以主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)從電機(jī)轉(zhuǎn)矩值對(duì)主電機(jī)轉(zhuǎn)矩值的跟隨，以確保主從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同步運(yùn)行以及負(fù)載的自動(dòng)平衡分配。轉(zhuǎn)矩主從控制策略方法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但從電機(jī)與主電機(jī)之間及各從電機(jī)之間沒(méi)有反饋，同步性及抗干擾性能不夠理想。

虛擬總軸控制策略中，系統(tǒng)輸入信號(hào)要經(jīng)過(guò)虛擬總軸的作用才能得到電機(jī)的參考信號(hào)，因而總的參考信號(hào)并不一定等于系統(tǒng)輸入信號(hào)。

交叉耦合控制策略[4]是比較兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將得到的同步轉(zhuǎn)速偏差作為補(bǔ)償兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)，從而使系統(tǒng)獲得良好的同步控制精度。但是這種控制策略比較適用于兩臺(tái)電機(jī)的同步控制，當(dāng)電機(jī)數(shù)量較多時(shí)，其控制算法復(fù)雜程度將會(huì)增加。

偏差耦合控制策略[5]是在交叉耦合控制基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，他將系統(tǒng)中某一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同其它電機(jī)轉(zhuǎn)速分別比較，然后將得到的偏差相加作為該電機(jī)的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償信號(hào)。這種策略隨著電機(jī)數(shù)目的增加，其控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也會(huì)增加，耦合補(bǔ)償規(guī)律也愈加難以確定。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，很多研究者將模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法應(yīng)用到同步控制領(lǐng)域并取得一定成果。

3.重載平臺(tái)四輪驅(qū)動(dòng)同步控制策略選擇

在一些重載系統(tǒng)中，單臺(tái)電機(jī)難以滿(mǎn)足功率要求，需要多臺(tái)電機(jī)協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，而在實(shí)際工程應(yīng)用中，多臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、電流、功率等無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)一致;而且傳動(dòng)系統(tǒng)非線(xiàn)性因素及外界擾動(dòng)等影響，運(yùn)行中多電機(jī)系統(tǒng)常常出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不均衡，同步進(jìn)度低等現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)及其連接軸和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)發(fā)生不同程度的損壞。因此，改善多電機(jī)轉(zhuǎn)矩同步性能的控策略，保證這類(lèi)機(jī)械安全、可靠的運(yùn)行，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本重載平臺(tái)采用四輪驅(qū)動(dòng)，平臺(tái)在軌道上定向高速運(yùn)行，其驅(qū)動(dòng)示意圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)輪A、B為重載平臺(tái)的前驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪C、D為重載平臺(tái)后驅(qū)輪。每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪采用一個(gè)大功率的同步伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。重載平臺(tái)為剛性平臺(tái)，但由于其前后長(zhǎng)度和左右跨度較大，在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的應(yīng)力會(huì)存在差異。為保證系統(tǒng)在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行，四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的同步性能要求較高，若驅(qū)動(dòng)輪左右和前后存在一定的同步誤差，將會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)拉偏或?qū)④壍来驂牡奈ｋU(xiǎn)。

圖1 重載平臺(tái)驅(qū)動(dòng)示意圖

通過(guò)本文前面對(duì)各種控制策略分析不難看出，簡(jiǎn)單的同步給定的方式無(wú)法滿(mǎn)足本系統(tǒng)系統(tǒng)同步控制的要求。交叉耦合控制雖然能較好的對(duì)各電機(jī)進(jìn)行同步補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)較高的同步控制。由于本系統(tǒng)采用四臺(tái)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)數(shù)量較多，采用交叉耦合控制會(huì)導(dǎo)致其控制算法非常復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)較為困難，會(huì)對(duì)處理器的運(yùn)行速度帶來(lái)很大的壓力。

根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，筆者提出將交叉耦合控制和轉(zhuǎn)矩跟隨相結(jié)合的同步控制策略。具體實(shí)現(xiàn)方式是：前驅(qū)動(dòng)輪A、B采用交叉耦合同步控制策略，后驅(qū)動(dòng)輪C、D采用轉(zhuǎn)矩跟隨控制策略，即驅(qū)動(dòng)輪C跟隨驅(qū)動(dòng)輪A，驅(qū)動(dòng)輪D跟隨驅(qū)動(dòng)輪B。

前輪通過(guò)交叉耦合控制，既能保證平臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)，又降低了系統(tǒng)交叉耦合復(fù)雜程度，選用DSP作為系統(tǒng)處理器就能較好的進(jìn)行控制。前后電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩跟隨的方式，從電機(jī)以主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)從電機(jī)轉(zhuǎn)矩值對(duì)主電機(jī)轉(zhuǎn)矩值的跟隨，確保主從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同步運(yùn)行以及負(fù)載的自動(dòng)平衡分配。

4.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由DSP處理器、工控機(jī)、伺服控制器、伺服電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其組成示意圖如圖1所示：

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成圖

DSP處理器選用TI公司的工業(yè)控制芯片F(xiàn)28335，作為本系統(tǒng)的控制核心單元。DSP處理器具備如下功能：①實(shí)現(xiàn)前驅(qū)動(dòng)輪交叉耦合控制算法;②通過(guò)接口電路，向前驅(qū)動(dòng)輪的伺服控制器A、B給定速度參數(shù);③采集前驅(qū)動(dòng)輪速度傳感器的速度數(shù)據(jù);④通過(guò)以太網(wǎng)接口，與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用于接收工控機(jī)的控制指令和向工控機(jī)發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

工控機(jī)為系統(tǒng)的操控平臺(tái)，操作者可通過(guò)圖形界面進(jìn)行系統(tǒng)控制。工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口向DSP處理器發(fā)送控制指令，如：平臺(tái)運(yùn)行方向、運(yùn)行速度等參數(shù)。同時(shí)也可接受DSP處理器發(fā)送的系統(tǒng)狀態(tài)信息。通過(guò)圖形界面的方式顯示給操控者。

每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪采用同步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每個(gè)同步電機(jī)配置一個(gè)伺服控制器。前驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)DSP處理器速度給定的方式進(jìn)行速度閉環(huán)控制。速度給定值通過(guò)交叉耦合控制策略后輸出。保證兩個(gè)前驅(qū)動(dòng)輪速度一致。前后電機(jī)之間通過(guò)轉(zhuǎn)矩跟隨的方式控制，前電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出作為后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩如入，保證前后電機(jī)受力均勻，平臺(tái)能平穩(wěn)運(yùn)行。

5.控制器設(shè)計(jì)

前驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用偏差耦合同步控制，與交叉耦合控制不同的是，偏差耦合控制可根據(jù)每臺(tái)電機(jī)的工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地在各電機(jī)之間分配速度補(bǔ)償信號(hào)。

圖3 前驅(qū)動(dòng)輪偏差耦合同步控制圖

如圖2所示，r（t）為速度給定信號(hào)，y1、y2分別為前驅(qū)動(dòng)輪A、B的速度反饋信號(hào)，e1（t）、e1（t）為A、B驅(qū)動(dòng)輪的速度跟蹤偏差。通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊，通過(guò)偏差控制算法，將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的同步誤差減小到最小，達(dá)到兩前驅(qū)動(dòng)輪同步運(yùn)行的目的。

要保證電機(jī)既不欠載，也不過(guò)載，出力的均衡性是關(guān)鍵問(wèn)題之一，前后驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)只有提供相同的轉(zhuǎn)矩，這樣才能保證設(shè)備可靠安全運(yùn)行。前驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)（主電機(jī)）輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)控制后驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)（從電機(jī)），這個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩作為后驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)電流環(huán)輸入量，通過(guò)轉(zhuǎn)矩跟隨既實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，有效地抑制轉(zhuǎn)矩的突變，改善電機(jī)的運(yùn)行性能。

6.結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)的重載平臺(tái)，本文根據(jù)各種同步控制策略的有缺點(diǎn)，采用的控制策略為：前輪兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用偏差耦合的控制方式，保證其同步性能。后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩跟隨的方式。保證前后輪受力均勻，運(yùn)行平穩(wěn)。通過(guò)上述兩種同步控制策略相結(jié)合，既能較好的解決重載平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中左右輪的同步問(wèn)題，又能讓每個(gè)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩輸出上起到平衡作用，平臺(tái)運(yùn)行更加平穩(wěn)和柔和。這兩種同步策略相結(jié)合，工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，避免了因多電機(jī)交叉耦合而帶來(lái)的算法復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)較困難問(wèn)題，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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