重載平臺四輪同步驅動控制系統設計

裴華剛

【摘要】針對四輪驅動的重載平臺，提出了交叉耦合控制和主從轉矩同步相結合的同步控制策略的同步控制策略。以DSP F2812為控制平臺設計了重載平臺四輪驅動同步控制系統。本重載平臺控制系統通過前左右輪的交叉耦合控制和前后輪主從轉矩跟隨控制，具備更高的同步控制精度和更穩定的動態性能。

【關鍵詞】重載平臺;交叉耦合;轉矩同步

1.引言

隨著工業技術的發展，在航空、軍事、機械制造領域等需要多個執行元件（液壓缸、氣缸、電機等），同時驅動一個或多個工作部件進行協調控制的場合越來越多，尤其是近年來在重載平臺、高性能數控機床、機器人控制、熱軋立輥系統、大型鉆機以及軍用機動雷達、防空武器發射平臺等領域，系統的同步精度的好壞直接決定了整個系統的性能，然而不同的控制算法其控制精度和復雜程度差異很大，因此針對不同應用場合選擇合適的同步控制策略具有非常重要的現實意義[1]。

2.多電機同步控制策略

目前，多電機同步控制系統主要控制目標包括轉速同步、位置同步及轉矩同步等。其中轉速及位置同步控制的研究較多，基于不同的控制結構的多電機轉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中，各電機之間沒耦合，運行過程中受到的擾動不會反饋給其它電機，電機之間易會產生同步偏差，系統的同步精度不能夠得到保證，抗擾性也不夠理想。

主從同步控制以轉矩同步為目標，目前主要采用的是轉矩主從控制策略。其原理是只保留主電機轉速環，各從電機轉速環開環;保留系統中各電機自身的轉矩環，各從電機以主電機的輸出轉矩作為轉矩給定信號，從而實現從電機轉矩值對主電機轉矩值的跟隨，以確保主從電機的轉矩同步運行以及負載的自動平衡分配。轉矩主從控制策略方法簡單、容易實現，但從電機與主電機之間及各從電機之間沒有反饋，同步性及抗干擾性能不夠理想。

虛擬總軸控制策略中，系統輸入信號要經過虛擬總軸的作用才能得到電機的參考信號，因而總的參考信號并不一定等于系統輸入信號。

交叉耦合控制策略[4]是比較兩臺電機的轉速，將得到的同步轉速偏差作為補償兩臺電機轉速的反饋信號，從而使系統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電機的同步控制，當電機數量較多時，其控制算法復雜程度將會增加。

偏差耦合控制策略[5]是在交叉耦合控制基礎上發展而來，他將系統中某一臺電機的轉速同其它電機轉速分別比較，然后將得到的偏差相加作為該電機的轉速補償信號。這種策略隨著電機數目的增加，其控制結構復雜程度也會增加，耦合補償規律也愈加難以確定。

近年來，隨著計算機技術和智能控制理論的發展，很多研究者將模糊控制、自適應控制、神經網絡控制等智能控制算法應用到同步控制領域并取得一定成果。

3.重載平臺四輪驅動同步控制策略選擇

在一些重載系統中，單臺電機難以滿足功率要求，需要多臺電機協調驅動，而在實際工程應用中，多臺電機的輸出轉矩、電流、功率等無法完全實現一致;而且傳動系統非線性因素及外界擾動等影響，運行中多電機系統常常出現負載轉矩不均衡，同步進度低等現象。嚴重時會導致電機及其連接軸和驅動平臺發生不同程度的損壞。因此，改善多電機轉矩同步性能的控策略，保證這類機械安全、可靠的運行，具有十分重要的現實意義。

本重載平臺采用四輪驅動，平臺在軌道上定向高速運行，其驅動示意圖如圖1所示。驅動輪A、B為重載平臺的前驅動輪，驅動輪C、D為重載平臺后驅輪。每個驅動輪采用一個大功率的同步伺服電機進行驅動。重載平臺為剛性平臺，但由于其前后長度和左右跨度較大，在運行過程中，對四個驅動輪的應力會存在差異。為保證系統在軌道上穩定運行，四個驅動輪的同步性能要求較高，若驅動輪左右和前后存在一定的同步誤差，將會出現平臺拉偏或將軌道打壞的危險。

圖1 重載平臺驅動示意圖

通過本文前面對各種控制策略分析不難看出，簡單的同步給定的方式無法滿足本系統系統同步控制的要求。交叉耦合控制雖然能較好的對各電機進行同步補償，實現較高的同步控制。由于本系統采用四臺電機進行驅動，電機數量較多，采用交叉耦合控制會導致其控制算法非常復雜，工程實現較為困難，會對處理器的運行速度帶來很大的壓力。

根據本系統的特點，筆者提出將交叉耦合控制和轉矩跟隨相結合的同步控制策略。具體實現方式是：前驅動輪A、B采用交叉耦合同步控制策略，后驅動輪C、D采用轉矩跟隨控制策略，即驅動輪C跟隨驅動輪A，驅動輪D跟隨驅動輪B。

前輪通過交叉耦合控制，既能保證平臺同步運動，又降低了系統交叉耦合復雜程度，選用DSP作為系統處理器就能較好的進行控制。前后電機采用轉矩跟隨的方式，從電機以主電機的輸出轉矩作為轉矩給定信號，實現從電機轉矩值對主電機轉矩值的跟隨，確保主從電機的轉矩同步運行以及負載的自動平衡分配。

4.控制系統硬件設計

控制系統由DSP處理器、工控機、伺服控制器、伺服電機和傳動機構組成。其組成示意圖如圖1所示：

圖2 控制系統硬件組成圖

DSP處理器選用TI公司的工業控制芯片F28335，作為本系統的控制核心單元。DSP處理器具備如下功能：①實現前驅動輪交叉耦合控制算法;②通過接口電路，向前驅動輪的伺服控制器A、B給定速度參數;③采集前驅動輪速度傳感器的速度數據;④通過以太網接口，與工控機進行數據通信。用于接收工控機的控制指令和向工控機發送系統狀態數據。

工控機為系統的操控平臺，操作者可通過圖形界面進行系統控制。工控機通過以太網接口向DSP處理器發送控制指令，如：平臺運行方向、運行速度等參數。同時也可接受DSP處理器發送的系統狀態信息。通過圖形界面的方式顯示給操控者。

每個驅動輪采用同步電機進行驅動，每個同步電機配置一個伺服控制器。前驅動輪通過DSP處理器速度給定的方式進行速度閉環控制。速度給定值通過交叉耦合控制策略后輸出。保證兩個前驅動輪速度一致。前后電機之間通過轉矩跟隨的方式控制，前電機轉矩輸出作為后電機的轉矩如入，保證前后電機受力均勻，平臺能平穩運行。

5.控制器設計

前驅動電機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每臺電機的工作狀態，動態地在各電機之間分配速度補償信號。

圖3 前驅動輪偏差耦合同步控制圖

如圖2所示，r（t）為速度給定信號，y1、y2分別為前驅動輪A、B的速度反饋信號，e1（t）、e1（t）為A、B驅動輪的速度跟蹤偏差。通過信號調理模塊，通過偏差控制算法，將兩個驅動輪的同步誤差減小到最小，達到兩前驅動輪同步運行的目的。

要保證電機既不欠載，也不過載，出力的均衡性是關鍵問題之一，前后驅動輪電機只有提供相同的轉矩，這樣才能保證設備可靠安全運行。前驅動輪電機（主電機）輸出轉矩來控制后驅動輪電機（從電機），這個輸出轉矩作為后驅動輪電機電流環輸入量，通過轉矩跟隨既實現轉速同步，也實現了轉矩閉環控制，有效地抑制轉矩的突變，改善電機的運行性能。

6.結束語

針對四輪驅動的重載平臺，本文根據各種同步控制策略的有缺點，采用的控制策略為：前輪兩個驅動電機采用偏差耦合的控制方式，保證其同步性能。后輪驅動電機采用轉矩跟隨的方式。保證前后輪受力均勻，運行平穩。通過上述兩種同步控制策略相結合，既能較好的解決重載平臺運行過程中左右輪的同步問題，又能讓每個電機在轉矩輸出上起到平衡作用，平臺運行更加平穩和柔和。這兩種同步策略相結合，工程應用中實現起來較為簡單，避免了因多電機交叉耦合而帶來的算法復雜、實現較困難問題，具有較高的工程應用價值。

參考文獻

[1]高恒路，桑勇，邵龍潭.同步控制策略機器典型應用的研究[J].液壓氣動與密封，2012，5.

[2]胡心平，袁桂東.多電機轉矩同步耦合控制策略研究[J].科技創業月刊，2012（5）：158-159.

[3]R.D.Lorenz，P.B.Schmidt.Synchronized Motion Control for Process Automation[R].Proceedings of the 1989 IEEE Industry Applications Annual Meeting， 1989.

[4]Koren Y.Cross-coupled biaxial computer control for manufacturing systems[J].ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，1980，102（12）：256-272.

[5]史步海，方志雄.基于偏差耦合的大功率全電動折彎機同步控制[J].華南理工大學學報（自然科學版），2011，39（7）.

[6]蔡家斌.兩軸運動平臺交叉耦合控制系統研究分析[J].煤礦機械，2008，29（9）.