絕緣子智能水沖洗裝置伺服驅動系統動態性能研究

曾鑫鵬， 吳文海， 廖國慶， 程淵海， 毛定邦

(1.西南交通大學機械工程學院， 四川成都 610030；2.中國鐵路濟南局集團有限公司青島供電段， 山東青島 266071)

0 前言

軌道交通中的絕緣子是隔絕載流導體與地面、保證鐵路系統用電安全的重要部件，由于環境的影響，絕緣子表面時常會附著污漬。MAOWED和MOUSSA[1]曾研究過不同污染條件下，絕緣子的性能變化，污漬的積累會導致絕緣子發生污閃事故，這已成為電氣化鐵路中的危害之一。為了避免污閃事故的發生，需要定時對它進行清洗工作。

在工業控制中，隨著自動化技術的發展，智能設備逐步代替了人工，但在一些對裝置精度及穩定性具有較高要求的場合，卻仍在使用人工操作。例如軌道交通中絕緣子的沖洗工作，由于沖洗流程較嚴格，國內外仍以手動控制沖洗為主[2]，這不僅降低了沖洗效率，還存在一些安全隱患，因此，展開對絕緣子智能水沖洗裝置的研究具有工程應用價值。

為了提高絕緣子水沖洗裝置的精確性與穩定性，可從機械結構與伺服控制2個方面分析其中的影響因素。對于機械結構，YAN等[3]完成了立式絕緣子清洗機器人的構型設計，并檢測了運行效果，但缺少實物模型的搭建與驗證；在智能控制方面，王奇等人[4]提出了一種基于圖像伺服的絕緣子自動水沖洗車，并通過仿真模型驗證了視覺伺服的可行性；對于振動特性的分析，張洪等人[5]提出了一種設計和優化油罐噴涂機器人振動特性的方法，對于絕緣子沖洗裝置的平穩性優化具有一定參考價值，但其振動優化僅局限于結構；劉洋等人[6]對柱塞泵的振動機制進行了研究與分析，提出了對于徑向柱塞泵的力學優化方案；黃海鵬等[7]還通過將高壓噴水技術與無人機結合，研發了一種可遠程控制的沖洗無人機，但因儲水量受到限制，僅適合小型化清洗。錢博[8]對于機械裝置中非線性動力學問題的研究為文中的結構動力學分析提供了簡化力學模型的思路。

在現代智能控制中，以永磁同步電機(PMSM)為控制對象的交流伺服系統正被廣泛地應用[9-11]，許多場合對其系統的響應性以及穩定性有著很高的要求。趙云等人[12]所提出的一種通過內?？刂?IMC)觀測器來補償振動速度信號的方法為優化文中的伺服控制提供了新的借鑒方法，但卻僅限于理論與仿真研究。

文中研究以PMSM為對象的交流伺服控制系統，將它應用在絕緣子水沖洗工作中，從而設計并分析絕緣子智能水沖洗裝置的機械性能，并運用時變速度環增益系數的優化方案；通過結構建模與實驗仿真，驗證優化方案的有效性；最后，在實體裝置實驗中，檢測此方案對系統振動特性的影響。

1 絕緣子智能水沖洗裝置

根據國內外已有的沖洗設備，引入伺服驅動系統以及伺服電機，通過上位計算機的智能算法以及雙目攝像頭的圖像采集，可完成軌道交通中絕緣子的智能識別與定位工作，文中對沖洗裝置的傳動結構進行了設計，并結合高壓水沖洗的射流技術，在已成熟的液壓沖洗系統的配合下，設計出了一種絕緣子智能水沖洗裝置。

圖1所示為智能絕緣子水沖洗系統的組成原理，該系統由機械傳動模塊、伺服控制動力模塊以及液壓沖洗模塊三部分組成。機械傳動模塊包含回轉模組與俯仰模組，分別控制水炮的回轉與俯仰，完成定位絕緣子方向的工作；伺服控制動力模塊為機械傳動模塊提供動力與反饋信號，包含2個永磁同步電機、伺服驅動模組以及傳感器組，電機為系統運行提供動力源，伺服驅動模組保證絕緣子定位精度，傳感器組實時反饋位置信息，起到限位和復位的作用；液壓沖洗模塊包括液壓動力模組和液壓傳動元件，為水沖洗裝置提供高壓射流。

現簡單介紹機械傳動機構的組成與工作流程。如圖2所示：俯仰電機通過圓錐齒輪減速器連接角通軸，控制角通軸的回轉，通過俯仰角度定位絕緣子高度；回轉電機連接圓錐齒輪減速器，減速器輸出軸連接小齒輪，以外嚙合方式驅動回轉支承做回轉運動，從而定位絕緣子方向；待定位完成后，啟動高壓水槍開關，高壓水通過水管由下方旋轉接頭送入，再通過T形旋轉接頭進入空心角通軸，經炮管后，從炮嘴處射出，沖洗絕緣子。

圖2 絕緣子沖洗裝置機械結構Fig.2 Mechanical structure of insulator flushing device

在軌道交通清洗工作中，由于絕緣子位置的離散性，導致在連續沖洗多個絕緣子時需要頻繁啟停設備。在實際工況中，由于伺服系統設定為通用模式，系統各參數設為定值，對于沖洗系統并不是最優方案，每次啟停設備時，整個系統將會產生較為明顯的振動，在開關高壓水槍時，高壓水的瞬時反沖力也會沖擊整個結構，影響系統穩定性，降低定位精度。在智能裝置定位過程中，機械傳動系統的質量、慣量、剛度、阻尼等參數均會影響系統的穩定性以及定位的精度。為了合理地設置控制參數，分析伺服驅動控制系統的動態特性，建立動力學模型，通過調節電流環與速度環，在轉矩限制下使伺服系統保持穩定性，使其不超過設定的穩態閾值，從而保證水沖洗系統具備良好的動態性能。作者從機械結構模型入手，結合系統控制模型，分析整個系統的響應；再運用MATLAB仿真軟件進行仿真模擬，最后在現場實驗中驗證優化方案。

2 系統數學模型的建立

2.1 機械傳動系統動力學模型

由于沖洗裝置伺服控制系統的設置參數直接影響結構響應與定位精度，為了更好地確定系統的控制參數，文中首先對此沖洗裝置的機械傳動系統動力學模型進行分析。智能水沖洗裝置的機械傳動系統分為兩部分，回轉模組與俯仰模組，回轉模組由炮體、回轉支承、齒輪以及圓錐齒輪減速器等組成；俯仰模組由炮桿連接角通軸、T形旋轉接頭和俯仰減速器等組成。2個電機的角位移作為機械傳動系統的輸入，炮體的水平轉角與炮桿的俯仰角度作為系統的輸出。在建模過程中，將機械傳動部件的剛度、阻尼、慣量和作用在傳動部件上的干擾轉矩、圓錐齒輪減速器的傳動效率都折算到輸出的轉動軸上[13]。以回轉模組為例，文中建立的機械傳動系統動力學模型如圖3所示，其中θIN為回轉軸的輸入端轉角，其值為i·θM，i為電機輸出軸與回轉軸的傳動比，θM為電機的輸出轉角，KL、JL、fL分別為折算到回轉軸上的扭轉總剛度、轉動總慣量和總的黏性阻尼系數。

圖3 機械傳動系統動力學模型Fig.3 Dynamic model of mechanical transmission system

通過對以上系統的機械傳動結構分析，可得其動力學方程組為

(1)

ML(t·i=KL[θIN(t-θL(t]

(2)

θIN(t=i·θM(t

(3)

式中：ML(t)為伺服電機的輸出轉矩；θL(t)和θM(t)分別為回轉軸輸出端的等效轉角和伺服電機輸出轉角；Mr(t)為機械傳動部件折算到回轉軸上的干擾阻力；i為電機輸出軸與回轉軸之間的傳動比。

對式(1)(2)進行拉普拉斯變換，并賦初值0時，得到：

ML(s·i=(JLs2+fLsθL(s+Mr(s

(4)

ML(s·i=KL[i·θM(s-θL(s]

(5)

整理合并式(4)、式(5)后可得：

(6)

若將θM(s)作為系統的輸入，θL(s)作為系統的輸出，當機械結構的干擾阻尼Mr(s)為0時，θM(s)與θL(s)之間的傳遞函數為

(7)

以伺服電機輸出軸的角位移作為系統的輸入，以炮體的回轉角位移作為系統的輸出，則機械傳動系統的系統框圖如圖4所示。

圖4 機械傳動系統框圖Fig.4 Block diagram of mechanical transmission system

基于傳動結構的系統傳遞函數G(s)，將實際結構參數、扭轉剛度、轉動慣量以及黏性阻尼系數、系統延遲間隙等參數代入后，如表1所示，便可得到此系統的實際傳遞函數。

表1 俯仰與回轉參數Tab.1 Pitch and rotation parameter

根據表1可知，由于傳動結構的外部轉動慣量已遠遠超過了電機轉子的轉動慣量，其數值超過了百倍，而能夠正常發揮電機最佳性能的外部轉動慣量應在20倍以內。通過分析傳遞函數，在大慣量結構中，系統對于信號的響應會存在較大振動與延遲，因此，傳統的電機控制方法將很難滿足對于沖洗精度及穩定性要求較高的絕緣子沖洗裝置。在外在條件已經固定的情況下，可以通過改變控制參數，優化電機對于信號的響應，以此來彌補傳動結構對于電機的響應延遲與振動帶來的影響。表2所示為機械結構中與系統振動有直接關系的影響因素。

表2 機械結構影響因素Tab.2 Influencing factors of mechanical structure

2.2 伺服驅動系統控制模型

圖5 伺服控制系統框圖Fig.5 Block diagram of servo control system

修正電流環閉環傳遞函數，由于伺服系統的速度環帶寬遠遠低于電流環帶寬，可簡化電流環的閉環傳遞函數，將高階項省略[14]，系統電流環傳遞函數則可表示為

(8)

Tc=Tcf+Tsf

(9)

其中:Tc為電流環的周期時間函數；Tcf為電流環反饋濾波時間常數；Tsf為伺服逆變器的開關時間周期。

于是根據控制結構框圖以及電流環閉環傳遞函數，可以推算出從電機的實際輸出速度ωm到速度反饋值ωre的閉環傳遞函數Gme為

(10)

其中：Kp為系統的比例增益系數；Ki為積分增益系數。

則ωm到Mr的閉環傳遞函數Gmr可表示為

(11)

2.3 諧振頻率分析

根據實際輸出速度到速度反饋值的傳遞函數Gme可以發現，式(10)中的電流環時間常數Tc以及速度反饋時間濾波常數相對很小，當將其化簡后，可進一步得到化簡后的Gme如下：

(12)

其中：ωn為自然諧振頻率；ξ為系統阻尼系數。當系統傳遞函數Gme簡化后，可看作一個標準的二階響應系統，其中：

(13)

系統諧振頻率：

(14)

根據標準二階系統的頻率響應特性，由傳遞函數可以得出其諧振頻率為

(15)

因此，可通過控制系統傳遞函數以及頻率響應特性分析出與電機輸出軸振動的有關因素[15]，其中可調節的Kp、Kt、Ki值均會影響諧振頻率的大小，對于不同傳動結構的系統來說，結構參數Jm也是不同的，因此不僅要分析電氣化參數，還要分析負載情況以及結構特性，在實驗中才能驗證出最優的方案。

3 優化策略與仿真分析

在MATLAB/Simulink仿真軟件中建立電氣化模型，對系統振動及優化策略進行仿真。以俯仰模組為例，電機參數如表1所示。搭建系統仿真模型如圖6所示。

圖6 伺服系統電氣化仿真模型Fig.6 Servo system electrification simulation model

其中，矢量控制轉矩限幅180%，編碼器反饋速度濾波時間2 ms，電流環比例系數100，電流環積分系數100，積分時間常數Ti為10 ms，位置環濾波頻率fp為40 Hz，速度環濾波頻率fv為25 Hz，通過設置不同的參數值，分別在電機剛啟動以及加入瞬時負載2個時間點下，觀察電機輸出軸的響應情況。首先設定初始轉速目標值為2 000 r/min，觀察系統啟動時的響應曲線；然后設定目標值逐步增加至3 000 r/min，觀察隨著速度變化時系統的振動響應情況。

結果如圖7所示，Kp值設定為50，剛啟動時，目標轉速設定值為2 000 r/min，電機輸出軸轉矩及轉速能夠在0.026 s內達到穩定值，但轉矩振幅與轉速波動卻很大，轉矩變化頻率很高而且Te最大振幅值達到了442.6 N·m，電機輸出轉速ωn的最大超調量達到了278.2 rad/s。在0.2 s時，開啟高壓水槍，由于瞬時的反沖力，相當于施加了一個階躍信號的負載，使系統發生了振動響應，可以看出：在Kp較大時，對于負載的變化，系統的振動響應也較為明顯。在伺服控制系統中，較大的速度環增益系數有助于系統的快速響應，能夠降低沖洗裝置的反應時間。但對于絕緣子智能水沖洗裝置，由于實際工況中絕緣子的離散性與隨機性，會存在頻繁的電機換向啟停操作，還存在開關高壓射流時的反沖力，較大的Kp不僅會導致驅動系統發生振動，還會放大反沖力對系統的破壞。因此，對于Kp的值應做及時調整，否則會影響沖洗裝置的性能。

圖7 系統的輸出曲線(Kp=50)Fig.7 Output curve of system (Kp=50) : (a)torque Te; (b) speed ωm

通過圖7可以觀察到：在高速狀態下，由于Kp值較大，系統的轉矩振動特性與轉速振動特性較為明顯。但如若將Kp值調小，可以降低振動特性，減小系統沖擊，但對于整個系統而言，Kp過低則會降低系統的響應速率，易出現延遲，在絕緣子沖洗過程中，系統的延遲要盡量縮短，否則會大大影響追蹤精度。

文中引入了一種時變Kp的控制方法，回轉與俯仰過程中的負載速度ωm作為自變量，Kp作為因變量，根據實時速度調節。換言之，就是在速度低的情況下設置較高的速度環增益系數，使系統做出快速響應；在系統速度較高時，降低Kp，從而減緩振動特性。將Kp設置為隨速度負相關變化的值，從而在盡量不影響系統響應速度的前提下，提高系統穩定性，降低高速時系統的振動。

Kp=-aωm+b

(16)

根據系統轉速要求，在絕緣子智能沖洗過程中，設置a為0.016，b為51.6，則可得到Kp關于ωm的對應曲線，如圖8所示。

圖8 時變Kp與ωm的關系曲線Fig.8 The relationship curve between Kp and ωm

將其應用于仿真系統中，驗證此方法對于系統的振動特性是否具有優化效果。如圖9所示，建立自定義模塊，將外部轉速ωm的值作為PI模塊的另一輸入端口，并使其作為Kp值的自變量，改變邏輯關系，便可得到優化后的時變PI模塊。

圖9 加入速度調節后的PI模塊Fig.9 PI module with speed adjustment added

設定相對應的Ki、Ti、fp、fv以及目標轉速，便可得到優化后的系統輸出曲線前后對比圖，如圖10所示。

圖10 系統響應前后對比曲線

由圖10(a)可以看出：使用時變Kp值的優化方案后，系統的轉矩響應相較于傳統系統，轉矩波動得到了有效的抑制，且與傳統方案相比，響應時間也有明顯縮短，提高了系統19.76 %的響應速度。由圖10(b)可知：雖然在負載突變時，優化后的方案對于速度響應沒有特別明顯的改善，但在系統啟動初期，系統的速度響應有較明顯的提高，速度波動也有改善。至此，仿真結果表明：文中所使用的時變Kp值的優化方案在仿真實驗中能夠有效抑制系統由于速度環增益過大而引起的系統振動。

接下來，將在實體機器上通過實驗來驗證此方案的可行性。

4 實驗與驗證

圖11所示為絕緣子智能水沖洗裝置實體，將裝置按其功能劃分，可分為五部分：追蹤定位模塊、液壓沖洗模塊、伺服驅動模塊、計算機模塊以及限位傳感模塊。追蹤定位模塊完成追蹤瞄準絕緣子的工作，包含回轉模塊與俯仰模塊，通過伺服電機提供動力分別精確控制回轉角度與俯仰角度；液壓沖洗模塊完成絕緣子沖洗工作，包含高壓泵、水箱、換向閥、旋轉接頭、溢流閥等液壓器件，通過運用高壓水沖洗射流技術，完成絕緣子的帶電水沖洗工作；伺服驅動模塊接收計算機發送的絕緣子實時位置信號，通過控制器處理后計算偏轉角度，控制回轉電機與俯仰電機做出對應轉動；計算機模塊包括顯示器、主機與雙目攝像頭，運用視覺伺服算法與深度學習網絡，對絕緣子進行識別，將位置信號傳輸給驅動器；限位傳感模塊包括4個限位傳感器以及一個復位傳感器，防止炮嘴旋轉角度過大而導致內部線路破壞，復位傳感器幫助炮嘴復位到初始位置。

圖11 絕緣子智能水沖洗裝置實體Fig.11 Material object of insulator smartwater-flushing device

電氣控制箱如圖12(a)所示，包含伺服控制模塊、PLC控制器、離心泵控制器、電磁繼電器以及傳感器模塊等。將設計好的硬件板與高速傳感器回路封裝至控制模塊中，加入反饋調節的輸入信號，結合PID調節，便可構成伺服控制模塊。圖12(b)所示為控制炮體回轉與俯仰的傳動結構，包含兩部伺服電機、圓錐齒輪減速器、回轉支承、旋轉接頭以及回轉角通軸等構件。

圖12 沖洗裝置部分關鍵模塊實體

將所有部件安裝在平板推車上，如圖11所示，在實驗階段，采取移動推車沖洗絕緣子來模擬實際軌道上的實時沖洗情況。

通過示波器，檢測電機編碼器反饋脈沖數，電機每轉動一周，編碼器會自動生成一個脈沖，便可通過脈沖數得到實際轉速曲線。設定初始目標轉速為2 000 r/min，即210 rad/s；待系統響應平穩后，再將目標轉速逐步提升至3 000 r/min，即307 rad/s，觀測系統攀升曲線；為了與仿真曲線形成對比，實驗時在75 ms時間點開啟電磁閥，啟動水沖洗，此時系統會受到瞬時的反沖力，系統將產生振動響應。

采用控制變量的方法，進行了10次實驗，通過10次回轉運動的轉速輸出曲線，取與平均值最接近的曲線，得到了優化前后實際輸出轉速曲線的對比，如圖13所示?？梢钥闯觯涸趦灮?，系統初始響應延遲至21.2 ms后振動才相對平穩，而優化后，在17.8 ms后，振動振幅就大致平穩了,響應時間提前了16.1%；但在22～35 ms時間段內，系統轉速相較于傳統方案數值偏低，經分析，可能是由于Kp值較低，轉速回升有所延遲；在75 ms處，由于高壓水的瞬時反沖力，系統有明顯的振幅變大響應，時變Kp值優化方案相較于傳統方案，最大振幅降低了8.6%，波動時間縮短了10.2%，仍具有不小的優化作用。

圖13 電機輸出轉速曲線Fig.13 Motor output speed curves

由圖13還能看出，在實際實驗中，就算達到目標轉速后，系統仍存在轉速波動，一直延續到系統關閉。這可能是由于機械結構間存在的傳動間隙、回轉剛度以及延遲阻尼等現實影響，系統對于振動的響應也相對放大了，導致最后的輸出曲線一直呈現出小范圍的波動。圖14為絕緣子沖洗現場圖片。

圖14 絕緣子沖洗Fig.14 Insulator flushing

5 結論

通過對絕緣子沖洗原理進行分析，設計了一種絕緣子智能水沖洗裝置，并分析了沖洗裝置產生振動的原因，列舉出了影響因素；根據對具體工況的控制系統的分析，提出了優化的控制方案，以降低電機控制過程對系統振動的影響。

(1)建立了系統仿真控制模型，結果表明：在裝置沖洗絕緣子過程中，時變Kp值的優化方案能夠有效降低系統的振動響應，縮短了19.76%的響應時間。

(2)將優化方案應用于現場裝置，檢測其優化性能，通過對實際反饋的轉速曲線圖進行分析，系統初始響應時間提前了16.1%，在開啟高壓水槍時的振動振幅降低了8.6%，波動時間也縮短了10.2%，證實了時變速度環增益的優化控制方案的有效性。

后續可對機械結構進行進一步優化，降低結構帶來的沖擊與延遲；還可對上位機的視覺伺服控制算法進行優化，以適應不同的工況要求，降低振動響應。