摘要：針對(duì)雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩路傳動(dòng)鏈間隙引起的速度波動(dòng)大與沖擊的問題，對(duì)系統(tǒng)的間隙消除方法展開了研究。建立了包含行星減速器輸出端齒輪與大齒圈嚙合間隙的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)模型仿真分析了傳動(dòng)鏈間隙大小對(duì)系統(tǒng)特性的影響;在此基礎(chǔ)上，提出了基于速度指令的動(dòng)態(tài)偏置力矩和基于差速負(fù)反饋的交叉耦合同步控制相結(jié)合的復(fù)合消隙方法。搭建了雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，進(jìn)行了消隙方法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在簡(jiǎn)單的速度閉環(huán)情況下，所提的復(fù)合消隙方法不僅能夠保證完全消除系統(tǒng)間隙，還可以將系統(tǒng)速度跟蹤精度最大提高73.38%，啟動(dòng)階段的沖擊幅值最大衰減76.35%。研究成果為雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)高精度控制方法的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)，為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)間隙的消除提供了一種參考方案。

　　近年來(lái)，慣性穩(wěn)定平臺(tái)被廣泛應(yīng)用于武器站、跟蹤雷達(dá)、望遠(yuǎn)鏡等精密指向機(jī)構(gòu)中。隨著機(jī)構(gòu)的工作載荷越來(lái)越大，必須在穩(wěn)定平臺(tái)中增加力矩放大裝置才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)行高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，傳統(tǒng)的方式是安裝減速器，但在武器站方位平臺(tái)中，受限于安裝空間較小，減速比大的減速器無(wú)法滿足體積要求，因此常采用行星減速器和齒輪齒圈兩級(jí)傳動(dòng)的方式。采用齒輪齒圈的方式可以滿足載荷運(yùn)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問題：齒圈直徑較大，在制造過(guò)程中難以避免地存在加工誤差，導(dǎo)致齒輪齒圈的嚙合間隙在360°范圍內(nèi)發(fā)生較大的變化。武器站通常需要在載體行進(jìn)過(guò)程中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊，因此，需要隔離工作過(guò)程中路面擾動(dòng)的影響，通常的指標(biāo)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定精度在0.5mrad以上，所以齒輪齒圈之間的齒側(cè)間隙成為制約系統(tǒng)打擊精度的最重要因素之一。當(dāng)驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載失去直接接觸時(shí)，間隙出現(xiàn)在伺服系統(tǒng)中，導(dǎo)致負(fù)載的運(yùn)動(dòng)是“不可控” 的。因此，間隙非線性經(jīng)常導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差，甚至引起振蕩失穩(wěn)，嚴(yán)重降低裝備的控制性能和穩(wěn)定性。

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)齒隙問題提出了多種解決方案，最典型且應(yīng)用最廣泛的是以下三種方法：①增加支承結(jié)構(gòu)消除間隙。這種消隙方式實(shí)現(xiàn)方便，但會(huì)增加機(jī)械部分的復(fù)雜性，并且支承結(jié)構(gòu)的剛度通常較低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率降低，限制了系統(tǒng)帶寬的提高。②采用控制方法對(duì)間隙進(jìn)行補(bǔ)償。目前一般在閉環(huán)控制回路上設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器對(duì)齒隙非線性進(jìn)行補(bǔ)償，間隙補(bǔ)償控制的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加額外的結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，缺點(diǎn)是研究都以單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為被控對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)間隙的補(bǔ)償，但不能保證間隙的完全消除，在對(duì)精度要求非常高的場(chǎng)合往往無(wú)法滿足要求。③采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行消隙。其中最典型的是雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)軸的兩組電機(jī)施加大小相等、方向相反的偏置力矩，該方法在保證系統(tǒng)伺服精度的同時(shí)理論上可實(shí)現(xiàn)間隙的完全消除。因此，越來(lái)越多的研究者在高精度伺服裝置中采用雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)消除間隙的影響。

　　在雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，為了真正實(shí)現(xiàn)間隙的完全消除，眾多學(xué)者對(duì)兩電機(jī)的偏置力矩施加方式開展了深入研究。應(yīng)用最廣泛的偏置力矩施加方式主要有以下三種：定向偏置力矩、恒值偏置力矩和動(dòng)態(tài)偏置力矩，其中定向偏置力矩和恒值偏置力矩兩種方式雖然簡(jiǎn)單，工程上容易實(shí)現(xiàn)，但偏置力矩值的確定依賴于工程經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定或靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)仍維持大的偏置力矩會(huì)造成較大的能量浪費(fèi)，當(dāng)載荷變化較大時(shí)，存在消隙不完全的風(fēng)險(xiǎn)。此外，未考慮電機(jī)在換向時(shí)從不接觸到接觸的狀態(tài)變化帶來(lái)的沖擊對(duì)控制精度和穩(wěn)定性的影響，因此，目前相關(guān)研究逐漸轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)偏置力矩。

　　在動(dòng)態(tài)偏置力矩的研究方面，孫龍飛等提出了一種基于電機(jī)電流的變偏置力矩消隙控制方法，消隙過(guò)程中所加載的偏置力矩直接根據(jù)負(fù)載電流而變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變偏置力矩的消隙控制，但未從理論上給出系統(tǒng)間隙是否完全消除的依據(jù)。梁任等從控制器設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，根據(jù)所需消隙力矩與負(fù)載力矩、運(yùn)動(dòng)速度和加速度之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)消隙力矩補(bǔ)償控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全消隙，其不足是等效到負(fù)載端的力矩指令計(jì)算過(guò)于簡(jiǎn)化，得到的力矩指令不夠準(zhǔn)確。JIANG 等針對(duì)超重型立式銑床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，采用主從控制的方法消除了機(jī)床 C 軸齒輪間隙。薛漢杰提出基于速度偏差的力矩補(bǔ)償控制方法，兩電機(jī)的電流給定差值經(jīng)控制器輸出作為附加的速度設(shè)定值，以相反符號(hào)分別反饋至主從電機(jī)的速度給定處，實(shí)現(xiàn)扭矩平衡分配，將消隙補(bǔ)償電壓設(shè)定值輸入至主從軸，與速度環(huán)給定值疊加后在輸出端形成定值偏置力矩，消除傳動(dòng)間隙。以上兩 者均采用了主從控制，但主從控制存在一個(gè)電機(jī)速度滯后于另一個(gè)電機(jī)速度的問題。任海鵬等提出基于電流給定值的力矩補(bǔ)償控制方法，雙電機(jī)系統(tǒng)將位置偏差經(jīng)位置控制器得到的電流給定值作為雙電機(jī)的力矩給定值，力矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)是將電流給定與設(shè)定的力矩切換點(diǎn)比較后，決定電流環(huán)給定處疊加的偏置電流值，其缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

　　上述研究大都在工程層面對(duì)消隙方法進(jìn)行了研究，但在理論上未給出合理的解釋，總結(jié)起來(lái)仍存在以下不足：①偏置力矩的施加依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，而不是從理論上推導(dǎo)出完全消隙所需要的偏置力矩，即消隙方法不具有普適性;②消隙過(guò)程忽略了實(shí)際系統(tǒng)中兩路傳動(dòng)鏈安裝間隙的不一致性。在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，由于兩路傳動(dòng)鏈間隙不一致，兩路行星減速器輸出端齒輪與大齒圈的接觸時(shí)間不一致，如果不采取控制措施，將導(dǎo)致消隙過(guò)程存在沖擊，嚴(yán)重時(shí)甚至引起系統(tǒng)失穩(wěn)。本文提出了基于速度指令的動(dòng)態(tài)偏置力矩和基于差速負(fù)反饋的交叉耦合同步控制相結(jié)合的復(fù)合消隙方法，在理論上推導(dǎo)系統(tǒng)間隙完全消除所需的偏置力矩，并有效地抑制消隙控制器因兩路傳動(dòng)鏈間隙不同而引起的沖擊現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的跟蹤精度和穩(wěn)定裕度。

　　一、雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

　　雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常由兩組具有相同標(biāo)稱參數(shù)的永磁同步電機(jī)與行星減速器分別帶動(dòng)具有相同模數(shù)與齒數(shù)的小齒輪，兩組小齒輪對(duì)稱分布于交叉滾子回轉(zhuǎn)支承(后文簡(jiǎn)稱“大齒圈”)外圈兩側(cè)，大齒圈的外圈固定安裝在基座上，內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)塔座固連。兩組小齒輪與大齒圈外圈齒輪嚙合后，在完成自轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)裝有負(fù)載的旋轉(zhuǎn)塔座公轉(zhuǎn)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1。由于選用的行星減速器背隙小于3′，為了簡(jiǎn)化分析，將第一級(jí)行星減速器傳動(dòng)當(dāng)作理想傳動(dòng)環(huán)節(jié)，著重對(duì)第二級(jí)傳動(dòng)鏈齒輪與大齒圈的傳動(dòng)進(jìn)行分析。

　　雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

　　根據(jù)圖1所示的雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，得到動(dòng)力學(xué)模型框架(圖2)，其中，J_m 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J₁ 為行星減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J_L 為旋轉(zhuǎn)塔座的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ_Lm 、θ_Rm 分別為兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角;θ_L1、θ_R1分別為兩個(gè)行星減速器輸出端齒輪的轉(zhuǎn)角;θ_L 為旋轉(zhuǎn)塔座的轉(zhuǎn)角;Δ₁、Δ₂ 分別為兩小齒輪與大齒圈的齒隙寬度;K、c 分別為小齒輪與大齒圈的嚙合剛度和嚙合阻尼。雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩路傳動(dòng)鏈屬于并聯(lián)關(guān)系，因此，以其中一路傳動(dòng)鏈為例進(jìn)行分析。

　　首先，電機(jī)的電樞回路方程為

　　式中，U 為電機(jī)的電樞電壓;I為電機(jī)的電樞電流;L、R 分別為電機(jī)的電樞電感和電樞電阻;K_e 為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為電流環(huán)模式，電流環(huán)的帶寬通常在1kHz以上，遠(yuǎn)高于系統(tǒng)速度環(huán)響應(yīng)帶寬，所以可將驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化為理想比例環(huán)節(jié)，即

　　式中，K_d 為驅(qū)動(dòng)器放大系數(shù)。

　　永磁同步電機(jī)的電磁力矩與電樞電流成正比，因此有

　　式中，T 為電機(jī)的電磁力矩;K_M 為電機(jī)的力矩系數(shù)。

　　對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析，可得到電機(jī)端轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程：

　　式中，b_m 為電機(jī)的等效黏滯阻尼系數(shù);τ 為行星減速器輸出端齒輪的輸出力矩;i₁ 為行星減速器的減速比。

　　電機(jī)轉(zhuǎn)角與行星減速器輸出端齒輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系如下：

　　對(duì)小齒輪進(jìn)行受力分析，可得

　　式中，τ_c 為齒輪與大齒圈之間的彈性力矩;b₁ 為行星減速器的黏滯阻尼系數(shù)。

　　死區(qū)模型被廣泛應(yīng)用于描述控制系統(tǒng)的齒隙非線性，設(shè)齒隙寬度為2Δ，如圖3所示，則行星減速器輸出端小齒輪與大齒圈外圈齒輪之間的間隙可以描述為

　　式中，z 為行星減速器輸出端齒輪與大齒圈的傳動(dòng)誤差，z =θ₁ -i₂θ_L;i₂ 為小齒輪與大齒圈的齒數(shù)比。

　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)塔座的受力情況，旋轉(zhuǎn)塔座的動(dòng)力學(xué)方程為

　　其中，b_L 為旋轉(zhuǎn)塔座的黏滯阻尼系數(shù)。聯(lián)立式(1)～ 式(8)可以得到包含行星減速器輸出端齒輪與大齒圈間隙的雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。

　　雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)分析的基礎(chǔ)，為消隙方法的提出提供理論依據(jù)。

　　機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)影響度分析

　　為了分析模型中的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響權(quán)重，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行影響度分析，在 MATLAB/ Simulink中搭建1.1節(jié)建立的雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，利用靈敏度分析工具箱(sensitivi- tyanalyzer)進(jìn)行模型參數(shù)的影響度分析。模型中的參數(shù)設(shè)置見表1，分析后獲得系統(tǒng)開環(huán)特性的影響度結(jié)果，如圖4所示。

　　圖4中，δ 為兩路傳動(dòng)鏈間隙的差值，其他參數(shù)如前文所述，變量值大于零說(shuō)明參數(shù)與兩模型速度差值的最大值成正相關(guān)，反之則為負(fù)相關(guān)。從分析結(jié)果可以看出，系統(tǒng)模型中兩路傳動(dòng)鏈間隙大小 Δ 和差值 δ 對(duì)系統(tǒng)開環(huán)特性的影響最大，而在實(shí)際系統(tǒng)中，這兩個(gè)參數(shù)受裝配因素的影響也最大，因此，對(duì)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響進(jìn)行仿真分析。

　　為了抑制道路擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)射擊精度的影響，系統(tǒng)處于穩(wěn)定模式，因此系統(tǒng)的間隙是穩(wěn)定精度的決定性因素。首先假設(shè)兩個(gè)小齒輪與大齒圈之間的間隙大小相同，分析間隙大小 Δ 對(duì)系統(tǒng)特性的影響;然后，當(dāng)兩個(gè)小齒輪與大齒圈之間的間隙不同時(shí)，分析兩間隙之間差值δ 對(duì)系統(tǒng)特性的影響。

　　間隙大小 Δ 對(duì)系統(tǒng)特性的影響分析

　　由實(shí)際調(diào)試得知，系統(tǒng)的間隙在15′以內(nèi)，因此假設(shè)間隙大小分別為0′、5′、10′、15′，并且兩路傳動(dòng)鏈的間隙相同，觀察系統(tǒng)負(fù)載端速度在換向時(shí)的過(guò)渡情況，圖5所示為速度開環(huán)和速度全閉環(huán)時(shí)的仿真結(jié)果。

　　仿真結(jié)果表明，開環(huán)情況下，當(dāng)系統(tǒng)不存在間隙時(shí)，負(fù)載端速度換向平滑，波動(dòng)較小;當(dāng)間隙增大時(shí)，速度在換向時(shí)的死區(qū)隨之增大，波動(dòng)也變大;在速度全閉環(huán)后，速度經(jīng)歷完死區(qū)后的振蕩幅值隨著間隙的增大而急劇增大，當(dāng)間隙達(dá)到一定值時(shí)，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的失穩(wěn)。

　　間隙差值 δ 對(duì)系統(tǒng)特性的影響分析

　　假定軸1行星減速器輸出端齒輪與大齒圈之間的間隙為5′，而軸2的間隙在此基礎(chǔ)上分別加上0′、5′、10′、15′，圖6所示為開環(huán)和速度全閉環(huán)時(shí)的仿真結(jié)果。

　　仿真結(jié)果說(shuō)明，負(fù)載端速度換向死區(qū)的大小只取決于兩路傳動(dòng)鏈中較小的間隙值，與兩路間隙的差值無(wú)關(guān)。但隨著間隙差值的增大，會(huì)引起兩路小齒輪與大齒圈的接觸時(shí)間不一致，造成旋轉(zhuǎn)塔座在完成換向后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍存在較大的速度波動(dòng)，前人提出的消隙方法未考慮該因素的影響，導(dǎo)致在偏置力矩的啟動(dòng)階段存在沖擊現(xiàn)象。

　　結(jié)合圖5b和圖6b可知，當(dāng)兩路傳動(dòng)鏈的間隙大小和差值均較大時(shí)，在速度全閉環(huán)后，系統(tǒng)的伺服性能差，穩(wěn)定性低，前人的研究只考慮如何消除間隙，卻忽略了兩路傳動(dòng)鏈間隙的不一致性對(duì)系統(tǒng)特性的影響，造成系統(tǒng)跟蹤精度的提高很有限，伺服性能受到限制。

　　二、雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)合消隙方法

　　為了實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在保證完全消除間隙的同時(shí)抑制由兩路傳動(dòng)鏈間隙不一致引起的系統(tǒng)沖擊現(xiàn)象，開展了復(fù)合消隙方法的研究。

　　復(fù)合消隙方法設(shè)計(jì)

　　圖7所示為雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，兩個(gè)行星減速器的輸出力矩τ₁、τ₂、驅(qū)動(dòng)大齒圈的合成力矩T_out以及偏置力矩T₀ 之間的關(guān)系，T_cmd 為等效到負(fù)載端的力矩指令。

　　設(shè)負(fù)載端速度指令為 w_cmd，根據(jù)雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，將速度指令等效為負(fù)載端的驅(qū)動(dòng)力矩：

　　其中，J 為等效合成慣量，b 為等效合成阻尼系數(shù)。由圖7可知，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)全過(guò)程內(nèi)的完全消隙，則無(wú)論速度指令 w_cmd 多大，兩個(gè)行星減速器的輸出力矩方向必須保持不變且相反，如 τ₁ >0，τ₂ <0，因此可得兩齒輪之間的偏置力矩須滿足2T₀ >|T_cmd|。負(fù)載端力矩指令的大小受到電機(jī)軸、小齒輪、大齒圈和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼，以及負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度和加速度等因素的影響：

　　方便起見，可以將式(10)轉(zhuǎn)化為

　　其中，T_b 為系統(tǒng)的靜摩擦力矩，保證系統(tǒng)在靜止或穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)依然可以克服靜摩擦，從而保證運(yùn)動(dòng)全過(guò)程內(nèi)的完全消隙。

　　考慮到系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中速度指令存在較大的變化，此時(shí)系統(tǒng)理論加速度過(guò)大，導(dǎo)致偏置力矩過(guò)大，易造成系統(tǒng)輪齒損壞，因此在偏置力矩的輸出端進(jìn)行限幅，避免偏置力矩過(guò)大，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，最終輸出力矩表達(dá)式為

　　根據(jù)式(12)搭建的消隙控制器如圖8所示。

　　在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，由于兩路傳動(dòng)鏈間隙不一致，故兩個(gè)小齒輪與大齒圈的接觸時(shí)間不一致，引起兩路電機(jī)的速度不同步。此外，系統(tǒng)中的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、行星減速器等由于制造和安裝誤差，同樣會(huì)引起系統(tǒng)兩電機(jī)的不同步，如果不采取控制措施，將導(dǎo)致消隙過(guò)程存在沖擊，嚴(yán)重時(shí)甚至引起系統(tǒng)失穩(wěn)。

　　針對(duì)雙電機(jī)的同步問題，前人做了深入的研究，主要包括并聯(lián)同步控制、串聯(lián)同步控制和交叉耦合同步控制三種。其中并聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)最為簡(jiǎn)單，只需要給兩臺(tái)電機(jī)輸入相同的電壓指令，但這種方式的弊端是當(dāng)系統(tǒng)中的某個(gè)電機(jī)受到干擾發(fā)生速度波動(dòng)時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)無(wú)法感知這種波動(dòng)，從而導(dǎo)致兩電機(jī)出現(xiàn)速度差;串聯(lián)同步又稱為主從控制，即將一個(gè)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速作為另一個(gè)電機(jī)的指令，使從電機(jī)跟隨主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方式使從電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終滯后于主電機(jī)轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)存在兩路傳動(dòng)鏈間隙大小不一致時(shí)，以上兩種同步方式均無(wú)法解決啟動(dòng)階段的沖擊問題。本文采用基于差速負(fù)反饋的交叉耦合控制方法，在間隙較小的傳動(dòng)鏈發(fā)生接觸的瞬間，該路電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而在該瞬間兩電機(jī)產(chǎn)生速度差，速度差信號(hào)在經(jīng)過(guò)交叉耦合同步控制器后以相反的極性反饋回驅(qū)動(dòng)器端，實(shí)現(xiàn)兩路電機(jī)速度保持同步，抑制間隙不一致引起的沖擊。

　　將基于速度指令的動(dòng)態(tài)偏置力矩與基于差速負(fù)反饋的交叉耦合同步控制相結(jié)合，可以在保證間隙完全消除的同時(shí)，抑制兩路傳動(dòng)鏈間隙不一致引起的沖擊現(xiàn)象。

　　根據(jù)包含間隙的雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、消隙控制器和同步控制器，搭建了雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制框圖，如圖9所示。

　　復(fù)合消隙方法仿真分析

　　在雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制框圖的基礎(chǔ)上，利用靈敏度分析工具對(duì)系統(tǒng)速度全閉環(huán)后消隙方法的有效性進(jìn)行分析，分析不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)跟蹤誤差的影響度，分析結(jié)果如圖 10 所示?？梢钥闯?，在未消隙時(shí)，系統(tǒng)跟蹤誤差受兩路傳動(dòng)鏈間隙大小 Δ 和間隙差值 δ 兩個(gè)參數(shù)的影響最大，而在加入消隙控制器后(簡(jiǎn)稱“消隙”，綠色)，間隙大小 Δ 對(duì)系統(tǒng)的影響度明顯減小，而間隙差值 δ 成為 最大影響因素。在此基礎(chǔ)上，加入同步控制器(簡(jiǎn)稱“復(fù)合消隙”，粉色)，間隙大小 Δ 和間隙差值 δ 對(duì)系統(tǒng)跟蹤誤差的影響均明顯減小，證明了復(fù)合消隙方法的有效性。

　　在前期的實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，兩路傳動(dòng)鏈的間隙分別約為15′和10′，因此，將兩路傳動(dòng)鏈的間隙值分別設(shè)置為15′和10′，仿真分析消隙方法對(duì)系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的影響。由于系統(tǒng)在開環(huán)情況下并無(wú)消隙需求且本文提出的消隙控制器是基于速度指令設(shè)計(jì)的，故仿真和實(shí)驗(yàn)均只分析速度閉環(huán)時(shí)的消隙效果，圖11所示為在速度閉環(huán)時(shí)不同消隙情況下的負(fù)載端速度。

　　圖11中，藍(lán)虛線為未采取消隙措施時(shí)的控制效果，綠虛線為加了消隙控制器但未加同步控制器時(shí)的控制控制效果，粉虛線為加入本文提出的復(fù)合消隙方法時(shí)的控制效果。從綠虛線可以看出，加入消隙控制器后，負(fù)載端速度除了在啟動(dòng)階段存在一定的沖擊外，其他時(shí)間段的跟蹤誤差明顯減小，在此基礎(chǔ)上加入同步控制器后，在保證了跟蹤精度的同時(shí)，消除了啟動(dòng)階段系統(tǒng)的沖擊現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。

　　三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證復(fù)合消隙方法的有效性，搭建雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，利用dSPACE 半實(shí)物仿真平臺(tái)開展性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)裝置

　　搭建了圖12所示的雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置，主要由 2 個(gè)永磁同步電機(jī) (型號(hào)：SPALY80)、2 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(型號(hào)：Elmo，P/N：SOL-WHI20/100PYE)、2個(gè) L 形行星減速器(型號(hào)：FABR060-25-S2-P1)、武器站方位平臺(tái)、絕對(duì)式編碼器(型號(hào)：CAPRO-B112050)、光纖陀螺(型號(hào)：FOG-118)、24V 電源、48V 電源、dSPACE1104 和工控機(jī)組成。

　　通過(guò)查閱實(shí)驗(yàn)設(shè)備的具體型號(hào)和關(guān)鍵參數(shù)以及前期的測(cè)試結(jié)果，整理得到表1所示的系統(tǒng)參數(shù)值。表2所示的系統(tǒng)控制參數(shù)通過(guò)測(cè)試獲得。

　　利用搭建的雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了消隙方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為了充分驗(yàn)證復(fù)合消隙方法的有效性，令系統(tǒng)處于速度全閉環(huán)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)分別為不消隙、消隙和復(fù)合消隙時(shí)，對(duì)比不同速度指令信號(hào)下的控制效果，激勵(lì)信號(hào)分為以下6 種：(a)πsin πt，(b)πsin 2πt，(c)2πsin πt，(d)2πsin 2πt，(e)(2πt)²，(f)2(πt)²。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　本文設(shè)計(jì)的消隙控制器中，兩電機(jī)的偏置力矩大小只與速度參考指令相關(guān)，不失一般性，以速度指令2πsin 2πt為例，根據(jù)圖8所示搭建的消隙控制模塊，得到的偏置力矩信號(hào)如圖13所示?？梢钥闯?，偏置力矩的變化范圍在3.5～14N·m 之間，由于消隙控制器輸出的偏置力矩以相反的方向施加于速度控制器輸出端(圖8)，故兩個(gè)小齒輪的偏置力矩始終保持方向不變且相反。

　　圖14所示為兩個(gè)電機(jī)的實(shí)際輸入電壓信號(hào)曲線，未消隙時(shí)，電機(jī)電壓在-1～1V 之間變化，電機(jī)的出力方向發(fā)生變化，因此，系統(tǒng)將受到間隙的影響。本文提出的消隙控制器則保證了一個(gè)電 機(jī)電壓恒為正，另一個(gè)電機(jī)電壓恒為負(fù)，說(shuō)明兩個(gè)電機(jī)的出力方向始終保持不變且相反，并且電機(jī)出力可以克服系統(tǒng)靜摩擦，保證兩個(gè)小齒輪與大齒圈保持接觸，驗(yàn)證了本文提出的消隙控制器可實(shí)現(xiàn)間隙的完全消除。

　　系統(tǒng)在不同幅值不同頻率以及不同類型激勵(lì)信號(hào)下的消隙方法對(duì)比結(jié)果如圖15所示?？梢钥闯?，當(dāng)未采取任何消隙策略時(shí)，系統(tǒng)在全過(guò)程均存在大的速度波動(dòng);加入消隙控制器后，除了在啟動(dòng)階段存在一定的沖擊之外，其他時(shí)間段的速度波動(dòng)得到明顯減小;而采取復(fù)合消隙方法后，系統(tǒng)在全過(guò)程的速度波動(dòng)均明顯減小，并且啟動(dòng)階段的沖擊現(xiàn)象也得到了有效的抑制，證明了復(fù)合消隙方法的優(yōu)越性。

　　為了對(duì)消隙策略進(jìn)行量化的評(píng)價(jià)，將圖15中不同激勵(lì)信號(hào)下曲線的最大速度跟蹤殘差和啟動(dòng)階段的沖擊幅值匯總到表3和表4中。對(duì)比表3 和表4可知，本文提出的復(fù)合消隙方法在大幅度減小速度波動(dòng)的同時(shí)能有效抑制消隙控制器帶來(lái)的啟動(dòng)段的沖擊幅值，驗(yàn)證了復(fù)合消隙方法的有效性。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合消隙方法后，兩個(gè)電機(jī)的出力方向始終保持不變且方向相反，偏置力矩最小值仍可以克服系統(tǒng)靜摩擦，達(dá)到了完全消除間隙的目的;在不同的激勵(lì)信號(hào)下，采取復(fù)合消隙方法時(shí)，系統(tǒng)速度跟蹤殘差的抑制效果最大可達(dá)73.38%，而啟動(dòng)階段的沖擊幅值衰減效果最大可達(dá)76.35%，驗(yàn)證了復(fù)合消隙方法的優(yōu)越性。研究成果為雙電機(jī)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的高精度高動(dòng)態(tài)控 制方法研究和實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

　　參考文獻(xiàn)略.