雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)伺服壓力機(jī)控制策略研究

蒙李鑫，劉 辰

（西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

1 引言

機(jī)械壓力機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相配合，可使壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)靈活自由，閉環(huán)的控制系統(tǒng)可以使下死點(diǎn)重復(fù)精度提高，同時(shí)成形工藝的柔性和適應(yīng)性更好。目前雖然有一些超大功率單機(jī)伺服電機(jī)的產(chǎn)品，但是其容量相對(duì)于大型伺服壓力機(jī)的應(yīng)用還是偏小。對(duì)于大型伺服壓力機(jī)大多還是采用類(lèi)似圖1所示的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的工作方式提升壓力機(jī)的功率。

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可以有效分散電機(jī)動(dòng)力，避免出現(xiàn)單個(gè)大容量電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制造成本過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)有時(shí)也可以更好地平衡壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的受力[1，2]。

圖1 一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)械式壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然可以通過(guò)增加電機(jī)數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功率的增加。但是由于傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常需要伺服壓力機(jī)的多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。因此為了保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性，就需要實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步協(xié)調(diào)控制。其目的都是為了保證多電機(jī)在運(yùn)行時(shí)有用相同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使得多電機(jī)控制起來(lái)具有和單電機(jī)一樣或相似的特性。

現(xiàn)今實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于多電機(jī)同步控制大體可劃分為4類(lèi)[3]。第一類(lèi)采用并聯(lián)控制方式，同時(shí)給各個(gè)電機(jī)相同的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)[4，5]。該方法可以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的相同啟動(dòng)特性。第二類(lèi)采用串聯(lián)控制，即首臺(tái)電機(jī)響應(yīng)控制指令，該電機(jī)的檢測(cè)指令作為控制信號(hào)傳遞給后一臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步跟蹤控制[6]。第三種方法通過(guò)采集兩臺(tái)電機(jī)信息進(jìn)行交叉互補(bǔ)方式，縮小電機(jī)間速度差并進(jìn)行同步[7]。最后一種方式是采用現(xiàn)代控制方法通過(guò)采用如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等智能化的控制算法來(lái)結(jié)合交流伺服驅(qū)動(dòng)器硬件解決模型控制中的各種不確定性，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)[8，9]。作為雙電機(jī)同步控制策略的補(bǔ)充，本文提出一種全閉環(huán)誤差補(bǔ)償主從控制策略應(yīng)用于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式伺服壓力機(jī)。

2 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服壓力機(jī)的控制

為避免兩電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的互相干擾并實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步轉(zhuǎn)矩輸出，本文采用電機(jī)主從控制方法。對(duì)于壓力機(jī)的滑塊誤差，本文設(shè)計(jì)基于誤差信號(hào)偏置運(yùn)動(dòng)指令的全閉環(huán)控制方法。將兩部分結(jié)合構(gòu)成了新的帶有誤差補(bǔ)償?shù)娜]環(huán)主從控制方法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該控制器的主結(jié)構(gòu)為全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但兩電機(jī)控制還是采用主從結(jié)構(gòu)。由壓力機(jī)滑塊位置的反饋控制與期望位置進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合一個(gè)誤差觀測(cè)器補(bǔ)償控制誤差，之后通過(guò)壓力機(jī)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系計(jì)算出電機(jī)的控制位置。電機(jī)1采用該位置信號(hào)做位置環(huán)的閉環(huán)控制，電機(jī)2使用主從方式與電機(jī)1保持轉(zhuǎn)矩同步。圖2中的補(bǔ)償器的原理是將誤差放大并與原始位置指令相加，通過(guò)偏移位置指令計(jì)算電機(jī)位置，將電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償給滑塊的位置，確保滑塊運(yùn)動(dòng)精度。也就是說(shuō)通過(guò)主動(dòng)增加原始位移指令偏差抵消實(shí)際誤差，使滑塊真實(shí)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(bǔ)償器的采用如下表達(dá)式：

式中：Gerr——誤差補(bǔ)償器增益，經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，其值設(shè)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(shí)，滑塊接近期望點(diǎn)時(shí)控制量的抖振或穩(wěn)態(tài)誤差過(guò)大的情況。通過(guò)Matlab結(jié)合伺服壓力機(jī)動(dòng)力學(xué)模型仿真測(cè)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(jī)的運(yùn)行，并很快的補(bǔ)償兩電機(jī)之間的初始角度誤差，兩電機(jī)可以同時(shí)輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)保持扭矩的最大利用率。同時(shí)誤差補(bǔ)償器也很好的起到了修正傳動(dòng)環(huán)節(jié)誤差的作用。

圖2 帶有全閉環(huán)誤差補(bǔ)償?shù)膬呻姍C(jī)主從控制方法

圖3 帶有全閉環(huán)誤差補(bǔ)償?shù)膬呻姍C(jī)主從控制仿真

3 兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙肘桿交流伺服機(jī)械式壓力機(jī)控制實(shí)驗(yàn)

本文以如圖4所示的公稱(chēng)壓力級(jí)為1600kN的兩電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的雙肘桿伺服式壓力機(jī)為應(yīng)用對(duì)象對(duì)本文所提控制策略進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙肘桿伺服壓力機(jī)

圖中所示的伺服壓力機(jī)采用了兩驅(qū)動(dòng)單元。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括一臺(tái)22kW伺服電機(jī)和一個(gè)減速器。上位機(jī)軟件平臺(tái)采用Matlab/Simulink環(huán)境并結(jié)合實(shí)時(shí)工具箱（RTW）進(jìn)行快速原型的開(kāi)發(fā)和修改。通過(guò)工控機(jī)結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡的硬件組合使用模擬量信號(hào)傳遞實(shí)現(xiàn)伺服壓力機(jī)的控制。

由于本實(shí)驗(yàn)中采用Simulink中的RTW工具箱快速開(kāi)發(fā)。因此可以在之前兩電機(jī)同步控制仿真程序的基礎(chǔ)之上通過(guò)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(jī)動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)從仿真到實(shí)物的快速轉(zhuǎn)換。設(shè)定運(yùn)動(dòng)指令為標(biāo)準(zhǔn)沖壓工藝。空行程采用以電機(jī)為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，慢沖過(guò)程采用以滑塊位移為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。設(shè)定空行程電機(jī)速度限制為2000rpm，電機(jī)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(guò)調(diào)整裝模高度，確定下死點(diǎn)位置，設(shè)定滑塊一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的總行程為50mm，包含在總行程之中的工作行程長(zhǎng)度為20mm。按照此工藝運(yùn)動(dòng)過(guò)程規(guī)劃壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)。在雙肘桿伺服壓力機(jī)上采用厚度為1mm的ST12普通冷軋鋼進(jìn)行拉深實(shí)驗(yàn)。伺服壓力機(jī)的位移響應(yīng)如圖5所示。

圖5 拉深過(guò)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(jī)主從控制方法可以很好地實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙肘桿伺服壓力機(jī)主滑塊位移控制。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的滑塊在運(yùn)動(dòng)速度較快的快下和急回過(guò)程中誤差較大，最大達(dá)到0.5mm。但是由于滑塊在這個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)間內(nèi)并未進(jìn)行加工，所以該誤差不影響加工。在工作行程中，主滑塊帶動(dòng)的上模具首先對(duì)板材進(jìn)行剪切，剪斷的瞬間，滑塊的受力出現(xiàn)巨大變化，而電機(jī)響應(yīng)出現(xiàn)滯后，因此滑塊出現(xiàn)過(guò)沖的情況，滑塊的位移超過(guò)設(shè)定值2mm左右。經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，電機(jī)輸出力矩恢復(fù)到拉深所需的力矩大小，壓力機(jī)滑塊位移回到設(shè)定軌跡上。慢沖過(guò)程滑塊的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(diǎn)時(shí)，滑塊的位移誤差在0.1mm左右，達(dá)到較高的定位精度。

拉深過(guò)程中壓力機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖6所示。兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度保持很高的同步性并且嚴(yán)格按照規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了壓力機(jī)滑塊的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。在快下和急回過(guò)程中，采用基于電機(jī)位置的軌跡規(guī)劃，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)表現(xiàn)出等腰三角形的變化規(guī)律。在拉深工作過(guò)程中采用基于滑塊位置的控制，由于連桿機(jī)構(gòu)變傳動(dòng)比的特性，電機(jī)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)由慢至快的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在剪切過(guò)程中由于出現(xiàn)力的不連續(xù)，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速跳動(dòng)，但是很快電機(jī)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差基本處于0點(diǎn)附近波動(dòng)。兩電機(jī)轉(zhuǎn)速差隨著壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高有增加的趨勢(shì)，總體轉(zhuǎn)速的最大瞬時(shí)誤差小于15rpm。電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差包含了真實(shí)存在的誤差以及由離散采樣而產(chǎn)生的速度計(jì)算值不連續(xù)而產(chǎn)生的誤差，由于計(jì)算速度的刷新率過(guò)高，速度計(jì)算器對(duì)與編碼器反饋的單個(gè)脈沖響應(yīng)敏感。考慮這些因素的影響，總體來(lái)看本研究所提控制方法很好地實(shí)現(xiàn)工程中的轉(zhuǎn)速同步。

壓力機(jī)拉深過(guò)程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖7所示。

從圖7中得出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩隨壓力機(jī)滑塊的位移方向變化而變化，滑塊運(yùn)動(dòng)初段快下，電機(jī)提供了一個(gè)加速轉(zhuǎn)矩之后很快減小，在壓力機(jī)剪切工件時(shí)，電機(jī)出力快速增加，并在剪斷后迅速調(diào)整變小，隨著壓力機(jī)滑塊的勻速運(yùn)動(dòng)，工件被拉深。工件的成型力也會(huì)越來(lái)越大也符合圖中電機(jī)出力過(guò)程的變化。在運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)之后，電機(jī)反向出力拉動(dòng)滑塊向上移動(dòng)。最終回到初始位置。兩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩差在拉深過(guò)程當(dāng)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(shí)，電機(jī)間轉(zhuǎn)矩差瞬間增大，但是很快恢復(fù)。這也證明兩電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持了良好的同步特性。同步的出力可以保證兩臺(tái)電機(jī)都處在最佳工作狀態(tài)。也驗(yàn)證了本研究所提出的方法的可行性。

圖6 拉深過(guò)程中的電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速差

圖7 拉深過(guò)程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)論

本文針對(duì)雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)伺服壓力機(jī)的控制問(wèn)題進(jìn)行了討論，并提出了一種帶有全閉環(huán)誤差補(bǔ)償?shù)膬呻姍C(jī)主從控制方法，全閉環(huán)的外部控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)滑塊的精確控制，主從控制有很好的實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的扭矩同步輸出，最大限度利用兩臺(tái)電機(jī)的出力。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文所提方法可以在實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)扭矩同步輸出的同時(shí)壓力機(jī)滑塊的精確控制。