双电机消隙技术在某火炮随动系统中的应用.pdf

第 2 O卷 Vo 1 ． 2 O 第 1 6期 No ． 1 6 电子 设计工 程 El e c t r o ni c De s i g n En g i n e e r i n g 2 0 1 2年 8月 Au g ． 2 01 2 双电机消隙技术在某火炮随动 系统中的应用 张 原 ．周璐 璐 西北工业大学 电子信息学 院，陕西 西安7 1 0 1 2 9 摘要 文中以某火炮随动 系统的研制为背景 ，为 了进 一步提 高系统精度 ，首先介绍 了复合控制 系统模型及分 区 P I D 算 法， 另外详 细论 述了双电机 消隙的原理及动力 系统结构 ， 并建 立了仿真模型。最后 ， 通过 ma t l a b仿 真表 明同时运 用 分 区 P I D算 法和双 电机消 隙技 术 ， 能够在保证 系统稳定的情况下 。 很 大程度地提 高伺服 系统跟踪精度。 关键词 复合控制 ；分 区 P I D算法 ； 双 电机消隙 ； 仿真 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号1 6 7 4 6 2 3 6 2 0 1 2 1 6 0 1 0 6 0 3 Ap pl i c a t i o n o f a n t i - ba c k l a s h i n a r t i l l e r y s e r v o s y s t e m Z HANG Yu a n， ZHOU L u ． 1 u E le c t r o n i c I n f o r ma t i o n[ r t s t i t t t te ， N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n ic a l U n w e i t y ， X i ’ 吼 7 1 0 1 2 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r t a k e a a r t i l l e r y wi t h t h e d e v e l o p o f t h e d y n a mi c s y s t e m f o r b a c k g r o u n d ． I n o r d e r t o f u r t h e r i mp r o v e t h e p r e c i s i o n o f t h e s y s t e m ， F i r s t l y，I t i n t r o d u c e s t h e c o mp o u n d c o n t r o l s y s t e m mo d e l a n d s e p a r a t e - z o n e P I D a l g o r i t h m；I a l s o d i s c u s s t h e p rin c i p l e o f a n t i - b a c k l a s h，a n d s e t u p the s i mu l a t i o n mo d e 1 ． F i n a l l y ，the r e s u l t of ma t l a b s i mu l a t i o n s h o w s t h a t u s i n g s e p a r a t e - z o n e P I D alg o r i t h m a n d me a n wh i l e u s i n g t h e a n t i - b a c k l a s h t e c h n o l o g y c a n e n s u r e t h a t t h e s y s t e m i s s t a b l e ，a n d i t c a n l a r g e l y i mp r o v e the t r a c k i n g p r e c i s i o n o f s e r v o s y s t e m． Ke y wo r d s c o mp o u n d c o n t r o l ；s e p a r a t e z o n e P I D alg o r i t h m ；a n t i - b a c k l a s h；s i mu l a t i o n 众所周知 ， 经 典 P I D由于算法简 单 ， 在随 动系统 的控制 中是 十分 常用 的 ， 但 由于经典 P I D算法 的 比例 、 积分 和微分 是一直不变 的 ．这就使 得它的控制效果达不到很好 的效果 ， 而采用 分 区 P I D控制 ， 能根据 实际需要 ， 在不 同区段 采用相 应算法 ． 可 以在很大程度上提高系统的稳定性 。 另外 ， 伺服系 统的齿轮 中存在齿 隙 ， 采用 双电机 消隙技术可以很好地予 以 克服 ， 并 使火 炮跟 踪精度更 高， 误差更小 ， 鲁棒性更好。 1 火炮 随动 系统结构及分区 P I I 控制算法 1 ． 1复合控制 系统结构 本 系统使用 复合控制结 构_ 1_ ， 及 同时使 用反馈 和前馈 控 制 。 在位置 环分 区 P I D控 制器 的基础上 ， 引入速度 、 加速度前 馈 。复合控制框图如图 1 所示。 图 1 前馈控制系统框 图 Fi g ．1 S y s t e m d i a g r a m o f f e e d f o r wa r d c o n t r o l 反馈控制使系统具有 良好 的动态品质与稳定性 ， 前馈 控 制使 系统根据 突发的速度和加速度 ， 做 出相应的动作来减 小 收稿 日期 2 0 1 2 ～ 0 6 0 4 稿 件编 号 2 0 1 2 0 6 0 2 3 跟踪误差 。 1 ． 2分区控制算 法 该伺 服系统的位 置环 的输入角为 0 ， 输 出角 为 0 ， 误差角 一 。 将 作 为计算控制变量的原始数据 ， 根据其绝对值 的大小 ， 对} 分 5个区间 ， 进行分区间 P I D控制。 刚接收到调转位 置 n 和转 速 n 时 ， 电机 刚开始运 行 ， 此 时输 出角和输入角 的差值最大 ， 处在三 区， 系统以最大 角加速度加速再 以最大角速度 向平衡点接 近， 在此阶段 ， 应该 增加 K。 ， 减小 K ， 同时为了防止输 出值过大 ， 应当增大 。 。 系统处于二 区时 ， 选取 P I 控制 ， 在此过程 中使 实际角速 度 向理想角速度靠拢 。 在一区和零 区， 实际位置逐渐接近预定值 ， 为抑制超调应 减小 K 。 ， 增大 和 ， 。 当系统处于小 区， 系统静差 已经小到允许 范围内， 只需要 采取 P控制 。 2 双 电机消隙原理及数字仿真 2 ． 1双电机消隙原理 2 ． 1 ． 1齿隙的非线性及对系统稳定性的影响 在理想情况下 ， 伺服系统中的齿轮变速装置 ， 其输入与输 出间的关系应该是线性的。 但实际上 ， 由于齿轮在加 工和使用 中误差的存在 ，以及为了补偿 由温度和弹性形变所 引起 的尺 寸变化 ， 在一对相互 啮合 的齿轮之间总存在一定的齿隙 1 ． 图 作者 简介 张 原 1 9 6 9 一 ， 男， 陕西西安人 ， 博士 ， 副教授 。研 究方向 嵌入 式系统 ， 计算机软件 ， 伺服 系统控 制。 - 1 0 6- 张 原．等 双电机消隙技术在某火炮随动系统中的应用 2表示 了齿轮 啮合 中的间隙。 图圈 ， 如图 4所示 。 ＼ ／ ＼ 主 动 轮 、 千 - O L 从 动 轮 ／ ＼ 图 2齿 轮 间 隙 Fi g ． 2 F i g g e a r g a p 当主动轮运动方 向改变时 ， 从 动轮仍保持原有位置 ， 一直 到全部齿隙 2 c t 被走完时 ， 从动轮 的位置才开始改变。正是这 个 间隙的存在 ，使得 理想 的线性传动变成了一种非线性 的传 动过程 ． 从 而对 系统稳定造成影响。 2 ． 1 ． 2双 电机消隙的原理 为 了消除这种非线性H 传动对系统性 能的影响 ， 本文采 用双 电机驱动方法消除齿 隙。这种方法 的实质是使传动系统 在启动 和换 向的过程中 ，由两套完全一致的减速机构的输出 齿轮分别贴紧在主轴大齿轮相反 的啮合面上 ．使主轴大齿轮 受 到偏置力矩 ， 不能在齿 隙中来 回摆动 ， 从而达到消除齿轮间 隙的目的． 消隙原理如图 3所示。 小齿轮 图 3消 隙原 理 图 F i g ．3 P r i n c i p l e d i a g r a m o f a n t i b a c k l a s h 在单向传动时 ， 两个驱动级小齿轮同向转动 ， 所 以一定是 分别与输出级大齿轮 的同方 向的两个齿轮面相紧贴 ．通 过弹 性力作用共同驱动。 在系统需要换 向的时候 ， 则通过一定的控 制方法 ， 通过反方 向的电机输 出转矩作用 ． 使其 中一个驱 动级 齿轮继续与输出级齿轮 的原齿轮面紧贴 。另一个驱 动级齿轮 则进行换向与输 出级齿轮 的逆 向齿轮面紧贴 ．这样 两驱 动级 齿轮施加给输 出级齿轮 的弹性力方向相反 ．就可以防止输 出 级齿轮不受力矩作用 而摆动 。然后第一个驱动级齿轮再 迅速 进行换 向， 贴合至输出级齿轮的逆 向齿轮面 ， 从 而进行反方 向 的单 向传动。 除了换 向过程 ， 在 系统 的起动 中也存在齿隙因素 的影响 ，而对于启动过程 的双 电机驱动系统消隙原理与换 向 过程是一样 的。 2 ． 2 s i mu l i n k仿 真模 型 的 建 立 2 ． 2 ． 1双 电 机 消 隙伺 服 系 统 结构 框 图 双 电机驱动系统是 由两个具有相 同参数 的电动机分别带 动一个 相同模数 的小齿轮 ， 按对称结构 ， 通过小齿轮与大齿轮 啮合 ， 共同驱动一个带载 的大齿轮转动 。在此基础上 ， 可得到 由电流环 、 速度环、 位置环三环控制的双电机伺服系统结构框 目 旋转变压器 流反馈 1 审 流反慵1 卜 小世 轮1 大 齿 轮 小世 轮2 负 载 图 4双电机伺 服系统结构 图 Fi g ． 4 S t r u c t u r e d i a g r a m o f e r v o s y s t e m o f d u b l e mo t o r 其 中电流环和速度环是 内环 ，当其 内部某些参 数受 到扰 动时 ． 电流反馈和速度反馈能及时起 到抑制作用 ， 对 系统影 响 很小 位置环是外环 ， 直接关 系到 系统 的动态跟踪性 能和稳态 精度 。电消隙控制电路用来形成合适的偏置电流， 实现消隙。 2 ． 2 ． 2双 电机消隙伺服 系统仿真模型 依据伺服系统的结 构框 图，可得到基于分区 P I D控制 的 双 电机消隙伺服系统仿 真分析模型[ 5 - 6 1 ， 如图 5所示 。 由工作空间获得加速度 、速度 的前馈控制量 ，分别 由 C 2 、 C 3 模块输 入 由位置环 得到位置 的反馈量 ， 由 C 1 输 入 ； 综合后 输入到 u p d a t a 模块 ， 此模块主要用 于产 生用户 已设定好 的数 据 ，即用户在 G U I 界 面设置 的运动及参数 ； m e t h l D是位置控 制器 ， 通过位置误差进行分区 P I D控制。 S c o n t r o l 是速度控制器 ， 接收速度环 的反馈 ， 其输入为 电 压 ， 输 出为 电流 。 x i a o x i 模块是消 隙控 制单元 ， 其 输人为电流 ， 形成消隙偏 置电流 ， 输 出被加到 2个电机的电流 给定端 ， 实现 电消隙 。 M a g n i f y模块 表示 的是 功率放大器 ．用来驱动 电流的放 大 。经过 Mo t o r t r a n s f e r 模块的 电机 电枢模 型 ， 形成 电流环的 反馈。 T o r q u e f a c t o r 模块表示 的是扭矩系数 ． 输 出为 电机扭矩 。 经过 l o a d减速机 ， 此处的反馈经过 S p e e d d e t e c t o r 模块的测速 机输 出斜率 ，将 速度 转化为 电压 ，然后经 过模 块 S p e e d ／ 1 、 S p e e d ／ 2形成 的差速反馈控制 ，保证 了两个 电机 同步运行 。 最 终到达 S - c o n t r o 1 ． 形成速度环的反馈 。 减速机带 动两个相 同模数的小齿 轮，小齿轮的输出为位 置 量 。 G e a r g a p模型可以设 置齿 隙大小 。 E l a s t i c i t y模块 是大小齿轮间传递力矩的模型 ．齿轮间是 通过 弹性力接触的 。此模块 输入 为位置量 ， 输 出是扭矩 。 此扭 矩用来驱 动 b i g g e a r 大齿轮从而带动负载。 2 ． 2 ． 3 仿 真 结 果 分 析 图 6 a 为定点带炮时考虑齿 隙但未 消隙的跟踪曲线 ， 图 6 b 为考虑齿 隙且用 双电机消隙后 的跟踪 曲线 ， 其 中齿 隙选 为 3 m i l 。 一 1 0 7 - 电子设计工程} 2 0 1 2年第 1 6期 a 考虑齿隙但未消隙时的跟踪曲线 a t r a c k i n g c u r v e o f C O n S i d e r g e a r g a p b u t n o t d i s p e l i t 图 5 双 电机消隙伺服系统仿真模型 F i g ． 5 S i mu l a t i o n mo d e l o f s e r v o s y s t e m o f d o u b l e mo t o r b 】 双电 机消隙时的跟踪曲线 b 】 t r a c k i n g c u r v e o f a n t i b a c k l a s h 图 6 双 电机消隙与非消隙对 比图 F i g ． 6 Co n t r a s t d i a gra m o f a n t i b a c k l a s h a n d n o a n t i b a c k l a s h 图 6 a 和图 6 b 对 比可知， 未消隙时， 系统不稳定 ， 跟踪 误 差在 0 ． 2 。 以 内震 荡 ， 无 法实现高 精度跟踪 ， 运用 双 电机 消 隙后 ， 跟踪误差几 乎减小到 0 。 ， 明显消除 了定点带炮 时 的残 余震荡 。 图 7 a 为正弦带炮 时双电机消隙 经典 P I D算法的跟踪曲 线 ， 图 7 b 为双电机消隙P C 分区 P I D算法的正弦跟踪曲线 。 图 7 a 、 7 b 对 比可知分 区 P I D算法在正弦带炮时跟踪 误差几乎 为 O ， 经典 P I D算法明显有延迟且误差 比较大 。 3结 论 该 系统采用分 区 P I D控制 双 电机消隙技术 ，仿真结果 表 明了这种结合 方法 的的可行性 和有效性 。不仅保 证了系统 跟踪 的快速性 、 稳定性 ， 而且跟踪精度有 了很大提高 。 一 1 0 8- a 】 双电 机消隙 经典P I D 算法 a a n t i A 3a c k l a s h s c l a s s i c P I D a r g o t i t t m 双电 机消隙 分KP I 3 算法 an t i b a c kl a s h s e p a r a t e - z o n e P l D a l g o r i t h m 图 7 双电机消隙时经典 P I D算法与分 区 P I D算法对 比图 F i g ． 7 Co n t r a s t d i a g r a m o f c l a s s i c P I D a l g o r i t h m a n d s e p a r a t e - z o n e a l g o rit h m wh e n a n t i - b a c k l a s h 参考文献 【 1 】 侯伯 杰， 李小清 ， 周 云飞， 等． 直线电机伺服 系统的复合前 馈P I D 控制[ J 】 ． 机床 与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 2 5 6 5 8 ． H O U B o - j i e ， L I X i a o q i n g ， Z H O U Y u n f e i ， e t a 1 ． T h e d e v e l o p me n t o f f e e d f o r wa r d p l u s P I D c o n t r o l l e r f o r l i n e a r mo t o r [ J 】 ． Ma c h i n e T o o l ＆Hy d r a u l i c s ， 2 0 0 9 ， 3 7 2 5 6 - 5 8 ． 【 2 】 程登元． 一种 双电机 消 隙伺服 系统 f J J ． 雷达科 学与技 术 ， 2 0 0 9． 5 3 9 2 3 9 4 ． C HENG D e n g ． y u a n ．A k i n d o f d o u b l e mo t o r a n t i b a c k l a s h m e c h a n i s m s e v r o s y s t e m 【 J ] ． R a d d a r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9。 5 3 9 2 3 9 4 ． 下转 第 1 1 2页 电子设计工程} 2 0 1 2年第 l 6期 拉手式的结构。在 1 号数据交换装置和 4号信号转换器上 连 接 网络测试设备。3台数据交换装置之间连接 6根光纤线路 。 两个信号转换器和数据交换装置之间连接光纤 4根。测试 结 果如表 1 所示 ， 结果表明， 网络冗余度高 ， 系统安全可靠。 4结 论 实践证 明 ， 煤矿生产监控 系统在我 国煤 矿生产 中具有 重 要作 用。现有的监控系统受煤矿生产 的特殊性 的制约 ， 在 技 术先 进性 、 可靠性 、 实时性等方 面还存在不足 。 通信 网络结 构 单一 、 系统兼容性差 、 监控设备冗余度不 高， 危险控制 响应 时 间慢 等。尽管有些煤矿使用 了光纤 以太 网通信 ， 解决 了网络 结构 的局部冗余和通信信号 防雷 问题 ， 但通信 网络分 支仍 然 采用主从式通信方式 ，并没有解决 整个 系统 通信速率低 、 带 宽窄等 问题 ， 无法实现 多主并发 、 危 险区域快速 断电等关 键 问题 。 整个 系统可靠性没有得到有效提高 。文 中通过 新一代 煤矿安 全监控 系统技术与 试验研究 ． 建立 了多环冗余 、 多主 并发 、 对等 通信的新一 代监控 系统 网络 ， 有效解 决 了现 有监 控系统网络结构可靠性 低的问题 。 参考文献 【 1 】 成 继勋 ， 贾慧 潇 ， 解志磊 ， 等． 基 于电力线收发 器的K J 3 2 8 煤矿安全监控 系统[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 5 6 5 8 ． CHENG J i ． x u n， J I A Hu i ． x i a o ， XI E Zh i l e i ， e t a 1 ． K J 3 2 8 c o a l mi n e s a f e t y mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n e l e c t ri c p o w e r l i n e t r a n s c e i v e J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8， 3 6 1 2 5 6 5 8 ． 【 2 】 张涛 ， 薛鹏骞 ， 蒋静坪． 基于C A N总线的煤矿安全监测监控 系统的设计[ J 1 ． 煤炭科 学技 术， 2 0 0 7 ， 3 5 6 4 6 4 8 ． Z HAN G T a o ， XUE P e n g q i a n， J I ANG J i n g p i n g ．De s i g n o n c o alm i n e s a f e t y mo n i t o r i n g a n d me a s u ri n g s y s t e m b a s e o n CAN b u s [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 7 ， 3 5 6 4 6 4 8 ． 【 3 】闫飞． 基 于C A N总线 的煤矿监测监控 系统【 D 】 ． 西安 西安 科技大学 ． 2 0 0 9 ． [ 4 ] H a n s s o n H A， N o m t mm C ． I n t e g r a t i n g r e l i a b i l i t y a n d t i mi n g a n a l y s i s o f C A N B a s e d s y s t e m s 【 C ] ／ ／ I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i al E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 2 ． [ 5 】 I a n B r o s t e r ， A l a n B u ms ． T i me l y u s e o f t h e P r o t o c o l i n C ri t i c a l H a r d R e a l t i m e S y s t e m s w i t h F a u l t s 【 c l ／ ／ 1 3 t h E u r o m i c r o Co n f e r e n c e o n Re a l -t i me S y s t e ms ， 20 01 ． 【 6 ] 陈威敏 ， 孟晓风 ， 王 国华． 远程监测与故障诊 断 系统研 究【 J 】 ． 电子 设 计 工 程 ， 2 0 1 1 ， l 9 7 1 3 8 1 4 0 ． CHEN W e i mi n， MENG Xi a o - f e n g， W ANG Gu o h ua ． Re s e a r c h o f r e m o t e mo n i t o ri n g a n d f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m [ J ] ． E l e c t r o n i c De s i g n E n g i n e e ri n g ， 2 01 1 ， 1 9 7 1 3 8 -1 4 0 ． 【 7 】 樊忠泽 ， 黄敏超． 量子超球神 经 网络在振动 故障检测 中的 应 用[ J ] ． 火箭推进 ， 2 0 0 8 5 4 3 4 8 ． F AN Z h o n g - z e ． HU ANG Mi n c h a o ． T h e a p p l i c a t i o n o f q u a n - t u m h y p e r s p h e r e n e u r a l n e t w o r k i n v i b r a t i o n f a u l t d e t e c t i o n [ J ] ． J o u rna l o f R o c k e t P r o p u l s i o n ， 2 0 0 8 5 4 3 - 4 8 ． 上接 第 1 0 8页 【 3 】 赵 国锋 ， 陈庆 伟 ， 胡维礼． 双 电机驱 动伺服 系统 齿隙非线 性 自适应控制Ⅲ． 南京理工大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 1 2 1 8 7 1 9 2 ． Z H A O G u o f e n g ， C H E N Q i n g - w e i ， HU We i - l i ． A d a p t i v e c o n t r o l o f d o u b l e mo t o r s d riv i n g s e r v o s y s t e m wi t h b a c k l a s h n o n l i n e a ri t y f J ] ． J o u rna l o f N a n j i n g U n i v e rs i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 0 7 ， 31 2 1 8 7 1 9 2 ． 『 4 ] 邵俊鹏 ，唐 念华． 基于Ma Ⅱ a b 的重型数控机床双 电机 消隙 的仿真[ J ] ． 机械 工程 师， 2 0 0 8 4 6 3 6 5 ． S HAO J u n p e n g ， T ANG Ni a n - h u a ．S i mu l a t i o n o f d o u b l e - 一 1 1 2一 mo t o r a n t i b a c k l a s h o f h e a v y NC ma c h i n e t o o l d riv i n g s y s t e m b a s e d o n Ma t l a b [ J ] ． M e c h a n i c al E n g i n e e r ， 2 0 0 8 4 6 3 6 5 ． 【 5 】 杨文清． 双电机 消隙伺服 系统 的研 究与应 用 【 D ] ． 西安 西 安电子科技 大学． 2 0 1 0 ． 【 6 】 尹翔陵． 双 电机消隙直流驱动器在舰栽测量 雷达 中应用【 J 】 ． 现代 雷达 ， 2 0 0 8 ， 3 0 1 1 6 7 6 8 ． YI N Xi a n g l i n g ．Ap p l i c a t i o n o f d o u b l e - mo t o r a n t i b a c k l a s h D C d ri v e r i n s h i p b o me i n s t u m e n t a t i o n r a d a r [ J ] ． Mo d e m R a d a r ， 2 0 0 8 ， 3 0 1 1 6 7 6 8 ．