CN107102537B - 一种基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动控制领域，涉及一种基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法。本发明通过虚拟主轴的同步控制方式实现雷达阵面驱动丝杆的同步运行，将位置指令作为一个虚拟的主轴，两台伺服电机都视为从动轴，两台电机同时跟随主轴运行。本方法实现了相控阵雷达阵面快速、高精度的架设要求，解决了丝杆同步驱动中存在从轴滞后、两根丝杆位置或力矩差异较大、调整过快导致系统振荡、同步可靠性较差的问题，在该领域内具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于自动控制领域，涉及一种基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法。
背景技术
随着雷达技术的发展，越来越多的雷达普遍采用了相控阵天线，考虑到双丝杆机构具有减小天线阵面集中应力以及方便结构布局的优点，因此双丝杆同步技术被广泛地应用在了雷达天线阵面的折叠、俯仰、举升等驱动机构上。目前双丝杆同步有两种方式：双丝杆机械同步驱动机构，即采用一个力矩输入两个力矩输出的联动装置将两根丝杆连接，当电机转动时，联动装置将电机输出力矩和转速分配到两根丝杆上，带动两根丝杆同步运行；双丝杆伺服同步驱动机构，即由两套伺服电机驱动，分别通过各自的减速机构将电机输出力矩放大，带动两根丝杠同步运行。
双丝杆机械同步驱动方式，主要是通过运动轴之间添加联动装置来实现，控制系统简单，但存在调整困难、扩展性差、传动能量损耗等缺陷，若联动装置和双丝杆由于加工及安装误差较大时，会出现丝杆运行卡滞或天线阵面扭曲现象，将会影响系统的功能、降低雷达的测量精度。
双丝杆伺服同步驱动方式，两个伺服电机分别驱动各自丝杆，并根据同步控制算法可实现双丝杆的同步驱动，结构较为简单，核心为同步控制算法。目前同步控制多采用主从同步控制方式和主令参考控制方式。主从同步控制，是将运动轴分为主轴和从轴，主轴采用速度或位置控制，使主动轴电机保持稳定的转速运行，同时主轴的位置或速度信号作为从轴的参考输入信号，从轴电机不断跟随主轴运行,如图2所示。若主轴的负载发生扰动，从轴可以做出相应的补偿，以达到同步驱动的目的。若补偿准确、及时，则同步性能良好，若补偿迟钝、补偿量不准，极有可能造成系统振荡。由于该方式中主轴一直运行在前面，从轴对主轴进行跟随，运动滞后，因此，主轴一直保持大负荷运行，对系统负载力矩平衡不利。
主令参考同步控制方式，如图3所示，所有伺服驱动器的位置或速度指令输入来自同一个信号，即主令参考信号。每个运动轴在该信号的控制下并行工作，互不相干。若其中一个轴受到扰动，由此产生的同步误差只能通过该轴自身来调节，其它轴不会做出响应。这种同步方式对于运动轴自身的控制性能和使用负载环境要求较高，仅适用于扰动较小的场合，像雷达天线这种工作中受风载荷脉动较大的情况下就不能采用该种控制方式。
发明内容
针对现有技术的不足，特提供了一种基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法。本发明通过虚拟主轴的同步控制方式实现雷达阵面驱动丝杆的同步运行，将位置指令作为一个虚拟的主轴，两台伺服电机都视为从动轴，两台电机同时跟随主轴运行。本方法实现了相控阵雷达阵面快速、高精度的架设要求，解决了丝杆同步驱动中存在从轴滞后、两根丝杆位置或力矩差异较大、调整过快导致系统振荡、同步可靠性较差的问题，在该领域内具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案是：一种基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、控制器内部建立虚拟主轴，包括同步控制器和虚拟电子主轴，输入控制指令与双丝杆的位置负反馈信号形成同步控制器的输入参考信号；所述双丝杆位置的采样周期设为4ms～16ms；
虚拟主轴在加减速时，虚拟主轴采用S加速曲线进行变速，虚拟主轴在其他时间均保持匀速运行；
步骤二、将两个从轴丝杆的位置信号与虚拟主轴的位置进行对比，并进行初步的同步误差分析；若同步误差比较小，进入步骤三进行补偿分析；若同步误差超出预设门限，则系统停止运行并告警；
步骤三、根据虚拟主轴和两个从轴位置的同步误差进行数据分析，并分别计算出两个从轴的控制信号补偿量；若同步误差大于设定阀值控制信号补偿量采用PD方式计算；若同步误差小于设定阀值，则采用PID方式计算；
步骤四、根据步骤三的计算，将虚拟主轴位置和补偿量综合之后，分别发给两个从轴的驱动器，驱动器根据指令控制电机运行。
根据如上所述的基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法，其特征在于：所述的双丝杆位置的采样周期设为5ms。
根据如上所述的基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法，其特征在于：所述的步骤三中PID控制算法的表达式如下：
式中i——采样次数，i＝0、1、2、3…
e(i)——第i次采样时误差；
u(i)——第i次采样时输出速度指令；
Ti——积分系数；
Td——微分系数；
Kp——比例系数；
T——采样周期；
β——积分项的开关系数。
本发明的有益效果是：一是同步运行过程中，两根丝杆受力均匀，系统运行平稳；二是虚拟主轴没有干扰和波动，可以提高系统的同步精度，有效的避免系统振荡；三是运行过程中，实时监视两根丝杆运行参数，提高同步系统的可靠性和安全性。
附图说明
图1双丝杆驱动机构示意图；
图2主从同步控制方式框图；
图3主令参考同步控制方式框图；
图4虚拟主轴同步控制框图；
图5同步控制系统组成框图；
图6同步补偿算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，为同步控制系统的整体示意图，雷达阵面采用双丝杆驱动机构，由两套伺服电机驱动，分别通过各自的减速机减速将电机输出力矩放大，带动两根丝杠同步运动，从而带动天线阵面翻转至工作位置。本发明中雷达天线重达数吨，要求天线阵面精度高，因此不容许天线由于驱动原因引起结构变形扭曲，这就要求双丝杆运动过程中的同步精度非常高，现有的主从同步控制方式运动过程中容易导致卡滞，从而使天线阵面变形，不能满足系统要求。虚拟主轴是近期提出的一种同步控制方式，多运用于印刷等柔性传动系统，但在雷达双丝杆刚性驱动机构中，多采用主从同步控制方式。
控制系统组成框图如图5所示，系统由控制器、两个伺服驱动器、两个伺服电机、丝杆传动机构、限位传感器等组成。控制器主要完成系统同步控制算法，控制器不断高速采样两套伺服驱动器反馈的电机速度、位置和力矩信息，根据两台电机的实时运行速度和位置差，实时地对同步控制参数作自适应调整，使两台电机的运行速度和位置一致，驱动两根丝杆在受力均衡的同时作同步运动，以达到驱动系统的高同步精度。伺服驱动器和电机为执行器件，限位传感器为安全限位检测器件。
控制器接收到天线控制指令后，控制两个驱动器驱动伺服电机同步运行，带动天线阵面进行俯仰。控制器将主轴的位置信号传递到每个轴，并起到同步协调的作用。当某个轴受扰动而导致速度改变时，该变化会通过反馈影响主轴的输出，从而使其它轴的速度以同样的趋势变化，达到减小同步误差的效果。
本发明的基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法，包括以下步骤：
步骤一、控制器内部建立虚拟主轴，包括同步控制器和虚拟电子主轴，输入控制指令与双丝杆的位置负反馈信号形成同步控制器的输入参考信号。
虚拟主轴同步等效模型示意图如图4所示，虚拟主轴按照上位机指令保持匀速运行，即为了保证系统加减速时系统平稳，加减速均采用S加速曲线，虚拟主轴在其他时间均保持匀速运行，使得两个从轴跟随平稳，避免出现振荡。控制器不断采样两个从轴的位置、速度和力矩信息。在本发明中，通过仿真和系统试验，采样周期设为4ms～16ms比较合理，既可满足实时性要求，又不至于由于后续算法中调整过于频繁导致系统振荡，在此采用周期选用5ms。如果采用周期太短，会存在后期不停调整补偿量，可能导致从轴频繁调整运行状态引起振荡；采用周期太长，控制器采样实时性无法得到保障，可能导致两个从轴之间同步误差出现较大的现象。
步骤二、将两个从轴丝杆的位置信号与虚拟主轴的位置进行对比，并进行初步的同步误差分析。若同步误差比较小，进入步骤三进行补偿分析；若同步误差超出预设门限，则系统停止运行并告警；若整个运行过程中，两根丝杆存在力矩过大等异常情况，则系统停止运行并告警。操作人员可根据系统告警信息，对单个丝杆进行微调，保障两个丝杆行程在运行同步极限误差范围内，可再次进入自动控制程序，此种情况一般在初步调试过程中或结构进水生锈、传动部位损坏等导致运行卡滞中出现。
步骤三、根据虚拟主轴和两个从轴的位置误差进行数据分析，并分别计算出两个从轴的控制信号补偿量。
在本发明中，控制器采用积分分离的PID算法分别对两个从轴输入控制指令进行同步补偿计算，PID控制算法的表达式如下：
式中i——采样次数，i＝0、1、2、3…
e(i)——第i次采样时误差(位置偏差)
u(i)——第i次采样时输出速度指令
Ti——积分系数
Td——微分系数
Kp——比例系数
T——采样周期
β——积分项的开关系数
同步补偿算法流程如图6所示，若同步误差大于设定阀值则进行PD计算，采用PD计算，得到较大补偿指令，使从轴可以进行快速跟随，本发明中的PD计算为本领域常规的算法，此处不做详细介绍；若同步误差小于设定阀值，则进行PID计算，补偿较小，从轴运行进行微调，得到较高的跟随精度。阀值一般根据系统结构允许误差范围结合控制精度来确定，再此，ΔX＝0.5mm。
步骤四、根据步骤三的计算，将虚拟主轴位置和补偿量综合之后，分别发给两个从轴的驱动器，驱动器根据指令控制电机运行，达到与虚拟主轴之间的位置同步。
本发明中伺服电机位置反馈采用的是多极旋转变压器，在同步控制计算中按2极旋变(12位)来处理；采用梯形丝杆，整个丝杆行程为1200mm、螺距为7mm，丝杆螺距加工精度≤10μm；减速机构减速比为32，减速机的间隙为4′；丝杆装配及安装面加工精度未知，假定传动部分有1°的误差。通过试验测试，未装配之前空载状态下(不含丝杆)两个电机的同步误差为0.004mm；安装完成后空载状态下，两根丝杆同步误差为0.2mm；丝杆安装在天线上带载运行时，两根丝杆同步误差为0.3mm。由此可见，实际两个伺服电机的同步控制精度很高，远远低于结构传动部分带来的固有误差，系统同步精度主要由丝杆加工、装配等误差引起的。对于这些结构引起的固有误差，本发明中在虚拟主轴同步算法的基础上增加了误差补偿功能，无论是反向间隙还是丝杆加工引起的同步误差，在调试过程中均可在系统参数设定中予以消除。实际在调试过程中，系统运行几个来回，这些误差基本都可以由控制器的调试软件中读取出来，并可根据需求对控制器进行优化，以提高系统的同步精度，并行补偿修正后，系统重复定位运行精度在0.08～0.15mm之间，解决了重量大、丝杆行程长的双丝杆系统的同步问题。
本发明由于主轴是利用控制器虚拟设定的，所有控制算法均在控制器中完成，因此可以灵活修改各项参数，可以满足不同负载的同步控制系统，有利于推广应用。
Claims (3)
1.一种基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法，其特征在于：雷达阵面采用双丝杆驱动机构，由两套伺服电机驱动，两套伺服电机分别通过减速机减速将电机输出力矩放大带动两根丝杠同步运动，包括以下步骤：
步骤一、控制器内部建立虚拟主轴，包括同步控制器和虚拟电子主轴，输入控制指令与双丝杆的位置负反馈信号形成同步控制器的输入参考信号；所述双丝杆位置的采样周期设为4ms～16ms；
虚拟主轴在加减速时，虚拟主轴采用S加速曲线进行变速，虚拟主轴在其他时间均保持匀速运行；
步骤二、将两个从轴丝杆的位置信号与虚拟主轴的位置进行对比，并进行初步的同步误差分析；若同步误差比较小，进入步骤三进行补偿分析；若同步误差超出预设门限，则系统停止运行并告警；若运行过程中两根丝杆存在力矩过大的异常情况，系统停止运行并告警，操作人员根据系统告警信息，对单个丝杆进行微调，保障两个丝杆行程在运行同步极限误差范围内，再次进入自动控制程序；
步骤三、根据虚拟主轴和两个从轴位置的同步误差进行数据分析，并分别计算出两个从轴的控制信号补偿量；若同步误差大于设定阀值控制信号补偿量采用PD方式计算；若同步误差小于设定阀值，则采用PID方式计算；
步骤四、根据步骤三的计算，将虚拟主轴位置和补偿量综合之后，分别发给两个从轴的驱动器，驱动器根据指令控制电机运行。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法，其特征在于：所述的双丝杆位置的采样周期设为5ms。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟主轴的双丝杆同步控制方法，其特征在于：所述的步骤三中PID控制算法的表达式如下：
式中i——采样次数，i＝0、1、2、3…
e(i)——第i次采样时误差；
u(i)——第i次采样时输出速度指令；
Ti——积分系数；
Td——微分系数；
Kp——比例系数；
T——采样周期；
β——积分项的开关系数；
ΔX——阀值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210806 |