基于轉(zhuǎn)矩跟隨的雙電機(jī)同步控制策略研究

基于轉(zhuǎn)矩跟隨的雙電機(jī)同步控制策略研究

熊海洋，張李超，郭斌，夏偉

(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074)

摘要：在雙軸同步控制策略中，主從控制方案應(yīng)用較多，而在雙軸通過齒輪硬連接的機(jī)械系統(tǒng)中，采用主從位置同步或速度同步控制的方案無法取得良好效果，極易因雙軸定位誤差發(fā)生偏載情況，甚至發(fā)生電機(jī)過載停機(jī)的故障。采用主從控制方案中的轉(zhuǎn)矩同步控制策略，主軸工作在速度控制模式，從軸工作在轉(zhuǎn)矩控制模式，從軸跟隨主軸的實(shí)時轉(zhuǎn)矩輸出而運(yùn)動，以西門子S120為基礎(chǔ)搭建整套伺服控制系統(tǒng)。結(jié)果顯示，采用轉(zhuǎn)矩跟隨同步控制策略，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過程平穩(wěn)，在保證定位精度的基礎(chǔ)上，負(fù)載可以均衡分布在雙軸上，伺服電機(jī)工況良好，無過載、偏載現(xiàn)象發(fā)生。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī); 控制系統(tǒng); 雙軸同步; 轉(zhuǎn)矩跟隨

通訊作者：張李超

中圖分類號：TM 301.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2015-03-06

Double Motor Synchronous Control Strategy Based on Torque Following

XIONGHaiyang,ZHANGLichao,GUOBin,XIAWei

(State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mould Technology， Huazhong University of

Science and Technology， Wuhan 430074， China)

Abstract：During the double-axis synchronous control strategy, the Master-slaver control strategy has been widely applied. If the double-axis connected through the gears in the mechanical system, it can not get good results from using the position or speed synchronous control strategy of Master-slaver control. Offset load is likely to occur or even cause the motor overload and shutdown because of the positioning Deviation. Torque synchronous control strategy was used, the main axis in the speed control mode and the slaver axis in the torque control mode, while the slaver axis received the real-time torque data of the main axis. The results showed that the use of torque synchronous control strategy was more effective, the process of the mechanical system was running smoothly and the load could be balanced distribution on the double axis while ensuring the positioning accuracy.

Key words： servo motor; control system; double-axis Synchronous; torque following

0引言

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，多電機(jī)控制方案得以應(yīng)用在越來越多的場合，同時，多電機(jī)的同步控制方案也得到了更為廣泛的關(guān)注。針對不同的機(jī)械系統(tǒng)，已經(jīng)提出了多種不同的雙電機(jī)同步控制方案[1]，而現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的有主從控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制、虛擬主軸控制等控制方案[2]。主從控制方案中，一般以一個軸為主軸，另一個軸為從軸，從軸的輸入設(shè)定為主軸的輸出，從而達(dá)到與主軸的位置、速度或者轉(zhuǎn)矩的同步[3]。在主從控制系統(tǒng)中，由于從軸可以實(shí)時接收到主軸的狀態(tài)與參數(shù)的變化而做出相應(yīng)的調(diào)整，達(dá)到較好的同步效果。本文即基于這一主要控制方案進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩跟隨的同步方案設(shè)計(jì)與測試。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)及分析

1.1系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文中，雙軸同步驅(qū)動的機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。電機(jī)通過聯(lián)軸器與軸1進(jìn)行連接，驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，同時，軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同理，對稱一側(cè)的另外一個電機(jī)帶動另外一個小齒輪旋轉(zhuǎn)。兩個小齒輪與大齒輪嚙合，大小齒輪之間的減速比為6∶1，大齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動軸2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。磁粉制動器可以提供固定大小的反向制動力，作為模擬負(fù)載使用。磁粉制動器的軸3通過聯(lián)軸器與軸7相連，這樣，磁粉制動器可以在運(yùn)動過程中對大齒輪5提供指定大小的制動轉(zhuǎn)矩，同時通過控制磁粉制動器的輸入電壓的大小可以平滑調(diào)整磁粉制動器提供的反向制動轉(zhuǎn)矩的大小，可以靈活調(diào)整系統(tǒng)的負(fù)載。

圖1　測試平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2控制策略的選擇

針對圖1所示的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行雙軸同步控制時，除了要求其旋轉(zhuǎn)定位精度外，關(guān)鍵的控制策略是需要平衡雙軸的負(fù)載。在雙軸通過齒輪硬連接的情況下，若采用傳統(tǒng)的位置同步或速度同步，由于齒輪之間間隙的存在以及同步過程中工況的變化，雙軸的實(shí)時位置不可能完全保持一致。若同步過程中雙軸的位置偏差過大將會直接導(dǎo)致雙軸負(fù)載的極度不均衡，極易發(fā)生電機(jī)過載停機(jī)的情況[4]。為了避免這一情況的產(chǎn)生，本文選擇了另一種控制策略： 主從同步控制方案中，主軸工作在速度控制模式下，從軸工作在轉(zhuǎn)矩控制模式下，從軸實(shí)時接收主軸的轉(zhuǎn)矩值，從而保證雙軸的負(fù)載均衡。

2控制方案介紹

2.1控制系統(tǒng)分析

根據(jù)上述控制策略，設(shè)計(jì)了如圖2所示的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的下位機(jī)平臺基于西門子高性能運(yùn)動控制器Simotion，下位機(jī)開發(fā)采用結(jié)構(gòu)化文本(ST)語言[5]。Simotion是西門子全新一代的緊湊型運(yùn)動控制器，將運(yùn)動控制、邏輯控制及工藝控制功能集成于一身，為生產(chǎn)機(jī)械提供了完整的解決方案。基于其緊湊型設(shè)計(jì)及集成驅(qū)動器這一特點(diǎn)，Simotion D特別適用于小型機(jī)械分布式自動化結(jié)構(gòu)，如擁有多軸的機(jī)器、模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)器等。

圖2　主控制系統(tǒng)拓補(bǔ)圖

控制系統(tǒng)的驅(qū)動器采用西門子Sinamics S120系列驅(qū)動產(chǎn)品，主要包括電抗器(Line Reactor)，濾波器(Line Filter)、智能型電源模塊SLM(Smart Line Module)、書本型電機(jī)模塊(Motor Module-Booksize)。SLM是將三相交流電整流為直流電(一般為600V)的模塊，同時能將直流電反饋回電網(wǎng)，但是直流母線電壓不可調(diào)，因此又稱為非調(diào)節(jié)型電源模塊。SLM一般位于電抗器之后，電網(wǎng)電流經(jīng)電抗器之后進(jìn)入SLM模塊進(jìn)行整流。電機(jī)模塊又稱為逆變單元，能將540V或600V的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡⑷嚯娸斔徒o伺服電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動。電機(jī)模塊與主控系統(tǒng)之間通過Drive-CLiQ接口連接、通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。主控系統(tǒng)與上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)通信，可進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸。

2.2轉(zhuǎn)矩跟隨技術(shù)方案

伺服電機(jī)的控制采用的是最經(jīng)典的三環(huán)控制理論，由外到內(nèi)分別為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)[6]，其工作原理如圖3所示。

圖3　伺服系統(tǒng)三環(huán)控制原理

位置環(huán)的輸入信號為外部的脈沖信號，脈沖信號的設(shè)定與來自電機(jī)尾部編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過偏差計(jì)算后的數(shù)值在經(jīng)過位置環(huán)的P調(diào)節(jié)后的輸出，此輸出為速度環(huán)的給定[7]。速度環(huán)將其輸入與編碼器速度反饋信號進(jìn)行比較后的差值在速度環(huán)做PI調(diào)節(jié)后得到輸出，此輸出為電流環(huán)的給定。電流環(huán)的輸入為速度環(huán)PI調(diào)節(jié)后輸出，將此輸出與電流環(huán)反饋值進(jìn)行比較后的差值在電流環(huán)內(nèi)做PID調(diào)節(jié)輸出給電機(jī)，其輸出為電機(jī)每相的相電流[8]。

采用轉(zhuǎn)矩跟隨方案時，采取的控制策略為主從控制，主軸工作在速度控制模式下，驅(qū)動器進(jìn)行速度環(huán)的運(yùn)算，主軸位置環(huán)的計(jì)算交給PLC進(jìn)行運(yùn)算處理，主軸驅(qū)動器接收PLC運(yùn)算的結(jié)果即位置環(huán)運(yùn)算輸出。從軸工作在轉(zhuǎn)矩控制模式下，接收主軸經(jīng)PID運(yùn)算后轉(zhuǎn)矩的輸出值，直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩-電流轉(zhuǎn)換并輸出給電機(jī)，從而保證主軸與從軸轉(zhuǎn)矩輸出的一致[9]。工作原理如圖4所示(灰色部分表示功能已被禁止)。

圖4　轉(zhuǎn)矩跟隨原理圖

在Simotion中，將主軸驅(qū)動器的參數(shù)p1300修改為21，即將其設(shè)置為速度控制模式，將從軸對應(yīng)參數(shù)p1300修改為23，即為轉(zhuǎn)矩控制模式，同時將從軸參數(shù)列表中的p1569(轉(zhuǎn)矩設(shè)定值)與主軸的參數(shù)r80(轉(zhuǎn)矩實(shí)時值)進(jìn)行關(guān)聯(lián)[10]，即可實(shí)現(xiàn)圖4中的效果。

3測試結(jié)果分析

在實(shí)際機(jī)械平臺上，使用西門子S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩跟隨效果進(jìn)行了一系列測試，包括慢速運(yùn)行效果分析、快速運(yùn)行效果分析、負(fù)載變化時效果分析。

圖5所示為主軸伺服電機(jī)工作在低速狀態(tài)(1000r/min)時，主軸與從軸的轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。在起動加速階段，由于起動加速度較大，主軸轉(zhuǎn)矩變化有峰值出現(xiàn)，最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到了2.75N·m。在此過程中，根據(jù)局部放大圖可以看出，從軸的峰值轉(zhuǎn)矩也立即達(dá)到2.75N·m。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，主從軸轉(zhuǎn)矩值差值最大為0.35N·m。加速階段完成之后，主、從軸轉(zhuǎn)矩均穩(wěn)定在1.95～2.30N·m，運(yùn)行過程平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩變化，主從軸的轉(zhuǎn)矩差值最大為0.08N·m，為輸出轉(zhuǎn)矩的4.0%。在減速急停階段，由于加速度較大，轉(zhuǎn)矩突變較大，主軸轉(zhuǎn)矩從2.2N·m突變?yōu)?1.44N·m，大齒輪從勻速運(yùn)動進(jìn)入急減速階段。此階段中，從軸接收主軸轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩輸出值立即降為-1.44N·m，主從軸的轉(zhuǎn)矩輸出值差值最大為0.27N·m。在慢速運(yùn)行過程中的加速、勻速、減速三個階段，轉(zhuǎn)矩差值最大達(dá)到0.35N·m。可見同步過程轉(zhuǎn)矩分布均衡，沒有出現(xiàn)因轉(zhuǎn)矩偏載而發(fā)生的電機(jī)停機(jī)現(xiàn)象。

圖5　低速狀態(tài)轉(zhuǎn)矩變化圖

圖6所示為主軸伺服電機(jī)工作在高速狀態(tài)(12000r/min)時，主軸與從軸的轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。起動階段、停止階段與低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩的變化狀態(tài)比較類似。起動階段轉(zhuǎn)矩最大達(dá)到6.5N·m，停止階段的轉(zhuǎn)矩最大達(dá)到-0.5N·m，起停階段主從軸的轉(zhuǎn)矩均有峰值出現(xiàn)且從軸跟隨主軸轉(zhuǎn)矩效果良好，二者轉(zhuǎn)矩最大差值為0.5N·m。在起停中間的穩(wěn)定運(yùn)行階段，由于轉(zhuǎn)速較快，運(yùn)行不夠平穩(wěn)，導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)矩在2.4～3.4N·m波動，跟隨狀態(tài)下，從軸轉(zhuǎn)矩在2.4～3.5N·m波動，波動幅度較主軸略大。從局部放大圖中可知，從軸的轉(zhuǎn)矩跟隨效果良好，主從軸的轉(zhuǎn)矩差值最大為0.3N·m，為輸出轉(zhuǎn)矩的10.0%。綜合上述分析，在快速運(yùn)行過程中的3個階段，轉(zhuǎn)矩差值最大達(dá)到0.5N·m。可見同步過程轉(zhuǎn)矩分布均衡，沒有出現(xiàn)因轉(zhuǎn)矩偏載而發(fā)生的電機(jī)停機(jī)現(xiàn)象。

圖6　高速狀態(tài)轉(zhuǎn)矩變化圖

圖7所示為負(fù)載和轉(zhuǎn)速均變化時主從軸的轉(zhuǎn)矩變化曲線，轉(zhuǎn)速在1000～8000r/min變化。從圖7中可知，在負(fù)載與轉(zhuǎn)速變化的過程中，主從軸的轉(zhuǎn)矩始終保持較好的一致性。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可得，主軸與從軸的轉(zhuǎn)矩差值最大為0.18N·m。此時轉(zhuǎn)速為8000r/mim，主軸轉(zhuǎn)矩為2.2N·m，轉(zhuǎn)矩差值比例為8.2%。運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)矩跟隨效果較好，主從軸轉(zhuǎn)矩差值小，無偏載情況發(fā)生。

圖7　負(fù)載變化時轉(zhuǎn)矩變化圖

4結(jié)語

本文在雙軸通過齒輪硬連接的機(jī)械平臺上，以西門子S120系統(tǒng)為控制基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并測試了雙伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟隨效果。主從轉(zhuǎn)矩跟隨的控制方案在硬連接平臺的應(yīng)用上有良好的效果，硬件平臺運(yùn)行在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的情況下主軸與從軸的轉(zhuǎn)矩偏差小，最高瞬時轉(zhuǎn)矩差值不超過主軸轉(zhuǎn)矩的10%。與位置同步和速度同步相比起來，系統(tǒng)穩(wěn)定性有了很大的提升，可以很好地適應(yīng)高速、低速及負(fù)載突變的情況，運(yùn)行過程無偏載情況發(fā)生。

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