李道平，劉 毅，吳齊才，邢 然，范 虹

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

一種活動發(fā)射平臺彎道行走主動差速自動控制方法

李道平，劉 毅，吳齊才，邢 然，范 虹

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

為確保某運載型號活動發(fā)射平臺在包含直線軌道與圓弧形軌道的復雜軌道上完成運載火箭的垂直轉運任務，為其驅動控制系統(tǒng)設計了一種彎道行走主動差速自動控制的方法。該方法通過采集輪組上安裝的絕對值編碼器的信息，確定每一個輪組在軌道上的精確位置信息，給定變頻器不同的輸出頻率，從而控制各輪組的主動差速實現(xiàn)活動發(fā)射平臺在圓弧形軌道上的運行及直軌彎軌之間的變軌運行，實現(xiàn)了活動發(fā)射平臺在復雜軌道的平穩(wěn)行走，有效地提高了活動發(fā)射平臺的性能。

活動發(fā)射平臺；驅動控制系統(tǒng)；速度控制；差速控制

0 引 言

驅動控制系統(tǒng)是活動發(fā)射平臺的重要組成部分，可以使運載火箭平穩(wěn)、安全地在技術廠房與發(fā)射工位之間垂直轉運。圖1為某航天發(fā)射基地軌道布置。

圖1 某活動發(fā)射平臺部分軌道布置

與以往運載型號活動發(fā)射平臺相比，該運載型號活動發(fā)射平臺需要在技術廠房與發(fā)射工位之間實現(xiàn)直線軌道、圓弧形彎曲軌道、彎軌直軌之間的變軌等多種形式的運行，并且在運行過程中不僅要在有限的時間內(nèi)完成轉運任務，還要保證活動發(fā)射平臺上部運載火箭的穩(wěn)定性和安全性。因此，該型號活動發(fā)射平臺在圓弧形彎曲軌道上的速度控制方法是該系統(tǒng)運行的重要參數(shù)之一，也是該裝置順利完成行走任務的一個重大難點，對該速度控制方法展開研究具有重大理論意義和應用價值。

中國已有活動發(fā)射平臺產(chǎn)品成熟產(chǎn)品，即 СZ-2F運載火箭活動發(fā)射平臺。該活動發(fā)射平臺能夠完成箭體垂直轉運過程的直線軌道運行及微動等功能，但是不具備彎道行走的能力。文獻[1]對帶有柔性機構的活動發(fā)射平臺差速行走的可行性進行了分析，但是沒有給出相關的差速控制方法；文獻[2]、文獻[3]對電動汽車單個輪組差速控制方法進行了分析，但是沒有給出帶有多個輪組的行走機構的差速控制方法；文獻[4]～[6]對具有差速行走能力的多輪組起重機等工程機械設備的差速控制方法進行了研究，但是由于其使用工況不同，其速度控制方法并不能滿足航天產(chǎn)品對精度、可靠性等性能指標的需求。

彎道行走速度控制方法是驅動控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容，其好壞對驅動控制系統(tǒng)的功能和性能有重要影響。為了滿足該型號運載火箭垂直轉運任務的需求，提出一種彎道行走主動差速自動控制方法。該方法通過采集輪組上安裝的絕對值編碼器的信息，確定每一個輪組在軌道上的精確位置信息，從而控制各輪組的主動差速實現(xiàn)活動發(fā)射平臺在圓弧形軌道上的運行及直軌彎軌之間的變軌運行，實現(xiàn)了活動發(fā)射平臺在復雜軌道的平穩(wěn)行走，有效提高了活動發(fā)射平臺的性能。

1 系統(tǒng)組成

活動發(fā)射平臺驅動控制系統(tǒng)主要由上位機、控制面板、下位機、變頻器、限位傳感器和編碼器等設備組成。以某型號活動發(fā)射平臺驅動控制系統(tǒng)為例，上位機和控制面板將控制信號給定下位機，下位機利用Рrоfibus-DР總線控制變頻器驅動16臺電機的運行，系統(tǒng)通過限位傳感器和絕對值編碼器反饋電機的運行狀態(tài)等信息，實現(xiàn)活動發(fā)射平臺直線軌道行走、彎曲軌道行走、精確定位和運行狀態(tài)監(jiān)控等功能。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 某活動發(fā)射平臺驅動控制系統(tǒng)原理框圖

2 彎道運行速度控制方法

彎道行走速度控制方法利用臺體兩側的4個絕對值編碼器采集的脈沖值及每個輪組在活動發(fā)射平臺上的位置計算活動發(fā)射平臺每個輪組在軌道上的精確位置信息，從而確定是否采用差速控制實現(xiàn)活動發(fā)射平臺的順利轉彎。整個活動發(fā)射平臺運行時，在進入彎道的過程中，每一對輪組進入彎道即立刻采用差速控制，其他輪組速度仍為恒定；而在出彎道的過程中，每一對輪組出彎道時，即由差速改為同速運行。在由同速和差速變換的過程中，根據(jù)下位機軟件的設置，速度控制始終保持處在同軸位置的兩個輪組轉彎角速度比一致，速度比為內(nèi)外彎的半徑比。

該方法的具體步驟如下：

а）步驟1：將行走裝置兩側處于同軸位置的兩個輪子看成一對輪組，則活動發(fā)射平臺共有8對輪組。以行走裝置的前沿為參考點計算每個輪組主動輪圓心距臺體前沿的距離L，以圖3中的第i個輪組為例，輪組i的主動輪圓心距臺體前沿的距離為Li。

b）步驟2：計算某一轉彎點距軌道原點的距離S。以圖3第j個轉彎點為例，該轉彎點距軌道原點的距離為Sj；

圖3 某一輪組進彎位置示意

с）步驟3：當發(fā)射平臺前沿與軌道原點處于同一位置啟動時，計算活動發(fā)射平臺的行走距離 P。設啟動前絕對值編碼器脈沖值為 p0，每旋轉一周增加的脈沖值為Δp，當活動發(fā)射平臺運行至某位置時采集到的絕對值編碼器脈沖值為p，則根據(jù)輪組半徑r，可計算出活動發(fā)射平臺運行的行走距離P=2πr(p-p0)/Δp。

隨活動發(fā)射平臺的運行，P也隨之增加，當P達到P=Li+Sj時，即可確定第i個輪組到達第j個轉彎點，此時控制該輪組兩部電機進行差速控制。

d）步驟 4：計算內(nèi)彎 V1與外彎的速度 V2。設內(nèi)彎與外彎的半徑分別為R1與R2，臺體中心的理想速度為V0，為保證內(nèi)外彎速度比為差速比，則臺體中心距軌道圓心距離Rm為

由式（2）計算內(nèi)彎速度為

同理，外彎速度為

е）步驟5：通過將絕對值編碼器采集的臺體運動位移P與其他輪組距臺體前沿的距離及轉彎點距軌道原點的位移進行比較，可實現(xiàn)其他輪組在該轉彎點的差速控制。

f）步驟 6：出彎道過程與進彎道過程相似，通過比較運動位移P與其他輪組距臺體前沿的距離及出彎點距軌道原點的位移進行比較，可實現(xiàn)其他輪組在該轉彎點由差速控制轉為同速控制。

g）步驟7：臺體反向運行時與之相似，僅絕對值編碼器計算的位移值由最大值逐漸減小，其他不變。

算法流程如圖4所示。

采用上述控制方法，可保證活動發(fā)射平臺在進入彎道的過程中每一對輪組進入彎道時主動給定差速速度信號，而處于直線軌道的輪組仍然給定同速速度信號；在出彎道的過程中，每一對輪組行駛出彎道后給定速度信號由差速變?yōu)橥?，而處于彎曲軌道?nèi)的輪組仍然給定差速速度信號。

圖4 活動發(fā)射平臺彎道控制算法流程

3 試驗結果與結論

為驗證上述控制策略的有效性，某型號活動發(fā)射平臺已順利完成轉彎原理試驗，試驗軌道如圖5所示。

活動發(fā)射平臺給定速度10 m/min運行，待速度運行穩(wěn)定后進入彎曲軌道，全部進入彎道后停止，然后在彎道上反向啟動，待速度穩(wěn)定后出彎道，待輪組全部出彎道后減速停止。

圖6為活動發(fā)射平臺運行過程中16臺電機的頻率（速度）曲線，圖7為活動發(fā)射平臺運行過程中16臺電機的電壓曲線，圖8為活動發(fā)射平臺運行過程中16臺電機的電流曲線。

圖5 某活動發(fā)射平臺試驗軌道示意

從圖6中可以看出，活動發(fā)射平臺位于直線軌道時，各電機速度基本相同，當輪組進入彎道后，雖然輪組依次給定為差速變化，但是由于受到機械結構的限制，所有電機轉速呈一致差速變化，位于外軌的電機反饋頻率較大，實際轉速也較大，位于內(nèi)軌的電機反饋頻率也較小，實際轉速也較??；反向運行相似，當活動發(fā)射平臺行駛出彎道時，給定電機頻率由差速變?yōu)橥伲瑢嶋H電機轉速也趨向于一致。

從圖7可以看出，在進出彎道的過程中16臺電機電壓平穩(wěn)，無過電壓和欠電壓現(xiàn)象。

從圖8可以看出，活動發(fā)射平臺進彎之前，16臺電機電流平穩(wěn)，當活動發(fā)射平臺在進彎的過程中，由于先進入彎道的電機采用差速控制，而處于彎道外的電機仍為同速。因此，由于機械結構的限制，電機電流略有增大，但是仍處于正常運行的安全值內(nèi)，待全部電機進入彎道后，活動發(fā)射平臺各輪組呈差速運行的穩(wěn)定狀態(tài)，電機電流也趨向于平穩(wěn)。出彎道過程與進彎道過程相似，在出彎的過程中，由于先出彎的輪組給定同速運行，而位于彎道內(nèi)的輪組給定為差速，同時受到機械結構的限制，各電機電流略有增大，但是仍處于正常運行的安全值內(nèi)，當全部輪組行駛出彎道后，活動發(fā)射平臺各輪組呈同速運行的穩(wěn)定狀態(tài)，電機電流也趨向于平穩(wěn)。

圖6 活動發(fā)射平臺行走過程的電機頻率（速度）

圖7 活動發(fā)射平臺行走過程的電機電壓

圖8 活動發(fā)射平臺行走過程的電機電流

從圖6～8中可以看出，整個運行的過程中，活動發(fā)射平臺各電機性能良好，無過電壓、欠電壓、大負載沖擊和相互拖動的現(xiàn)象。

試驗證明，該速度控制方法可有效實現(xiàn)活動發(fā)射平臺在彎曲軌道上的順利行走。

4 結束語

為實現(xiàn)活動發(fā)射平臺在帶有直線軌道和圓弧型軌道的復雜軌道上的順利行走，提出一種主動差速自動控制方法，該方法通過采集輪組上安裝的絕對值編碼器的信息，確定每一個輪組在軌道上的精確位置信息，從而給定電機不同的驅動頻率，實現(xiàn)各輪組的主動差速運行。試驗證明：該方法可有效實現(xiàn)活動發(fā)射平臺在彎曲軌道上的順利行走，為新型號運載火箭的垂直轉運工作提供了有力保障。

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An Active Automatic Speed Control Method in Different Speeds on Crooked Railway of Drive Control System of Mobile Launch Platform

Li Dао-рing, Liu Yi, Wu Qi-саi, Xing Rаn, Fаn Ноng
(Веijing Institutе оf Sрасе Lаunсh Тесhnоl(xiāng)оgу, Веijing, 100076)

In оrdеr tо соmрlеtе thе vеrtiсаl trаnsроrt missiоn оf rосkеt in соmрlех trасk, inсluding strаight аnd winding trасk, аn асtivе аutоmаtiс sрееd соntrоl(xiāng) mеthоd in diffеrеnt sрееds оn сrооkеd rаilwау оf drivе соntrоl(xiāng) sуstеm оf mоbilе lаunсh рlаtfоrm is dеsignеd. It соl(xiāng)lесtеs thе рulsе оf аbsоl(xiāng)utе vаluе оf еnсоdеr оn whееls tо gеt thе роsitiоns оf еvеrу раir оf whееls аnd соntrоl(xiāng)ls thе sрееd оf whееls, whiсh асhiеvеs thе mоvаblе lаunсh рlаtfоrm running оn соmрlех trасk smооthlу, imрrоvеs thе реrfоrmаnсе оf lаunсh рlаtfоrm еffесtivеlу.

Моbilе lаunсh рlаtfоrm; Drivе соntrоl(xiāng) sуstеm; Sрееd соntrоl(xiāng); Sрееd соntrоl(xiāng) in diffеrеnсе

V553

А

1004-7182(2016)06-0027-05 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160607

2015-12-20；

2016-09-13

李道平（1983-），男，博士，高級工程師，主要研究方向為運動驅動與伺服控制