并联双电动缸同步控制策略研究及实现方法

赵旭昌，刘海阳，刘佑民，杨金波

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

近年来，电驱伺服技术发展迅速，其相比于电液驱动系统无跑冒滴漏问题，并且具有响应速度快、可频繁启停等优点，因此在伺服控制工业领域有逐渐替代电液伺服系统的趋势。以电驱技术为基础依托的电动缸相比液压缸或气动缸，具有传动效率高、定位精度高等优点。目前工程界对单个电动缸控制的研究成果较多，但是在双电动缸并联机构的运动控制成果有限，文献[2]通过数学仿真研究了双电动缸位置同步控制起竖的理论特性，文献[3]在船舶舵机控制系统中采用力矩同步控制进行了应用研究，该2 项研究分别在理论和部分领域验证了并联双电动缸的应用可行性，但在本文研究的高转速、长行程起竖系统中其可行性仍待研究和验证。

针对当前并联电动双缸控制系统研究遗留的问题，本文主要以某型号使用的双电动缸起竖为研究对象，通过对系统模型的仿真研究，对比2 种同步控制策略的优劣势，并对试验过程中的数据进行分析，最终验证速度同步控制策略的有效性，能够满足系统应用的指标要求。

1 电动缸双缸起竖系统建模

电动双缸起竖系统执行机构主要是由并联的2 套电动缸四连杆机构组成，其中电动缸采用伺服电机驱动，传动系统采用减速器加滚柱丝杠传动方式，电动缸的构造原理是伺服电机带动滚珠丝杠将旋转运动转换为缸的直线运动。

起竖控制系统的组成包括控制器、伺服驱动器、伺服电机及编码器，本文研究的起竖系统中伺服电机选用的是永磁同步电机（ Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM），其简化数学模型如图1 所示。

图1 电机系统Fig.1 PMSM System

从电机模型分析得出，电机工作在速度控制模式下控制结构由2 个环组成，分别是力矩环和速度环，主要表现出2 阶系统特性，工作在位置控制模式下由3个环组成，分别是力矩环、速度环和位置环，主要表现出3 阶系统特性，每增加1 个环路从而对其控制器设计的难度和成本将会成倍增加。

系统的阶跃响应曲线与频率响应曲线分别如图2、图3 所示，在速度工作模式下，系统阶跃响应超调15%，图3 显示在约24 Hz 处有一阻尼比极小的谐振峰，系统的相角裕度约为-89°。

图2 阶跃响应的试验与仿真曲线Fig.2 Step Response Curve of Experiment and Simulation

图3 起竖系统开环伯德图Fig.3 Bode Diagramof Erect System

对于双电动缸起竖系统，编码器的选择同样重要。目前主流的编码器从测量原理上区分有2 种类型：绝对式编码器和增量式编码器。考虑系统的可靠性和性价比，在系统设计中必须深度分析二者的系统适应性。

绝对式编码器最早是从19 世纪60 年代初期发展起来，在数字经纬仪、航天等领域有广泛应用，具有零位记忆，输出角度代码单值，没有累积误差，抗干扰能力强等优点。增量式光电编码器在使用过程中存在一定的缺陷，一旦出现断电或外部有干扰的情况，就会导致脉冲的丢失，零点也会发生偏移，并且偏移量无法计算获得。此外，增量式光电编码器还存在零点累积误差、开机需要重新找零点、停机记忆消失以及抗干扰能力比较差等问题。而绝对式光电编码器克服了以上缺陷，能在有电气噪声或者振荡的环境中正常使用。增量式编码器因加工工艺相对简单并且造价低廉而得到广泛应用。绝对式光栅编码器与增量式光电编码器的本质区别体现在主光栅的码盘结构上，如图4 所示。

图4 绝对式编码器和增量式编码器码盘结构比较Fig.4 Structure Comparison between Absolute Encoder and Incremental Encoder

图4中可看出绝对式编码器具有多条码道，在任意角度位置具有唯一的角度编码；增量式编码器的主光栅一般具有3 个码道，外圈增量码道用以产生计数脉冲，内圈辨向码道与增量码道刻线数目相同但是错开1/4 栅距用以判别转向（即通过光电信号转换采集到1 个与增量信号相位差相差90°的正弦信号），另有一个有参考刻线的零位码道用以产生零位参考信号，由于不能直接获得任意角度位置的编码，故使用增量式编码器找零是上电后必须首先进行的过程。

型号应用方面大多采用绝对式编码器，其典型应用是在某运载型号的转弯行走系统；在天文望远镜速度跟踪系统中，采用高精度增量式光栅编码器进行测量。2 种类型的编码器功能及性能对比汇总如表1 所示，通过比较可知对可靠性要求高，或者对绝对位置精度有需求的系统必须选择绝对式编码器。

表1 编码器性能对比Tab.1 Encoder Property Comparison

2 同步控制策略比较

运动同步控制是保证双缸起竖可靠的关键，该系统有2 种同步控制方案：方案1 是选用纯位置同步控制策略，将其中之一作为主动缸，另一缸作为从动缸，从动缸根据主动缸的运动位置跟随主动缸运动，从而保持同步；方案二是速度同步控制加位置补偿策略，从动缸跟随主动缸速度保持同步运动，纯速度同步从原理上会引入系统累计误差，影响同步运动控制精度，所以增加静态位置补偿，从而消除累计误差隐患。

方案1 位置同步控制系统复杂，在工程实现上调试周期较长，同时由于电动缸轴惯量较大，位置响应时间更长，电机电流冲击更大，虽然不会产生累计误差，但是动态误差严重影响系统可靠性；方案2 速度同步控制系统相对简单，工程实现效率更高，采用绝对式编码器作为测量元件，增加的位置补偿手段可消除累计误差，从而对系统可靠性有所保障。2 种同步方案性能对比汇总，如表2 所示。

表2 2 种方案性能对比Tab.2 Comparison of the Two Methods

本系统的控制系统采用现场总线分布式控制结构，由于CAN 总线为非实时现场总线，因此在实现同步控制时必须进行双缸控制时钟同步。在本系统中有2种解决方案：方案1 引入1 个专门的同步时钟控制器，通过同步控制器并行控制2 个电动缸，该方案多增加1 个硬件设备，使得系统可靠性降低；方案2 不增加硬件设备，将2 个缸的驱动器通过RS485 进行点对点通信，以其中1 个驱动器的时钟作为同步控制时钟，该方案仅适用于双缸同步控制，再增加同步缸将使得同步性变差、控制结构复杂。但是对于本系统，该方案是最宜改造实现的，同时在本系统应用过程中为保证同步安全可靠，将电机使能和速度给定设置为互锁状态，即从动缸使能开关指令控制双缸驱动器使能，主动缸速度指令控制双缸同步速度指令，控制结构见图5。

图5 电动双缸同步控制结构Fig.5 Synchronous ControlStructure of Parallel Electrical Cylinder

3 系统试验数据分析

电动双缸的1 次起竖数据曲线如图6 所示。

图6 电动双缸起竖数据曲线Fig.6 Twin-cylinder Vertical Erection Process Data Curve

起竖过程双杠位移差保持在1.6 mm，缸伸出长度变化2040.3 mm，起竖至90°主缸由18.6 mm 伸出至2058.9 mm，从缸由17 mm 伸出至2057.3 mm，起竖过程中最大工作电流主缸 22.35 A（电机输出扭矩45.59 N·m）、从缸19.95 A（电机输出扭矩40.70 N·m）。

表3 起竖缸数据对比Tab.3 Difference of the Two Electric Cylinder

通过分析过程数据可以看出电动双缸的过程位移差始终保持一个稳定值范围，速度同步控制过程中双缸位移差动态误差在0.5 mm 以内。起竖过程中双缸电流值平稳，没有大电流振动冲击现象，更能保证导弹起竖过程的安全可靠性。

电动缸速度同步模式起竖 1 次位移累积误差0.0018 mm，起竖回平往复一次累积误差0.00 036 mm，由于导弹起竖是一个往复运动，不是单方向运动，所以系统累计误差不会朝一个方向累积增大，正常使用过程中会平衡在一个稳定区间，位置静态补偿仅是在出现严重偏载波动或故障导致不同步后，再进行静态同步调整，将位移差重新调整到2 mm 范围内。

4 与液压缸起竖对比分析

液压缸双缸起竖系统是将电动缸替换为单级液压缸进行相同负载起竖，液压双缸同步控制是通过对从缸的充、放油实现起竖过程中双缸同步。电动缸双缸起竖与液压缸同步硬件比较，省略了拉线位移传感器，避免传感器长时间外露使用造成传感器测量准确性下降。图7 为液压双缸起竖其中一次联动起竖试验数据。

图7 液压双缸起竖位移差曲线Fig.7 Position Error Curve of Hydraulic Cylinder Erection

从图7 中可以看出双缸位移差最大均控制在2mm范围内，由于液压同步控制是当位移差超过1 mm 便进行充油或放油操作，所以误差波动较大会使得双缸动载荷变大，从而会影响系统的可靠性。

图8为电动缸起竖过程中双缸位移差曲线。与图7对比可以看出，电动缸速度跟踪精度更好、响应更快，并且启动误差也相对液压系统更小，过程中误差基本保持不变，较液压系统充、放油方案不存在多余补偿或过补偿的现象。

图8 电动缸起竖位移差曲线Fig.8 Position Error Curve of Electric Cylinder Erection

5 结束语

通过对电动双缸系统建模分析及对2 种同步控制策略比较分析，最终通过速度同步试验验证该控制策略的有效性，能够满足应用需求，系统试验表明同步精度能够保证在1 mm 范围内，实测精度不超过0.5 mm，能够保证双缸运动始终在可接受的同步位移差范围内，能够确保起竖的安全可靠。