李金鹏

摘要： 随着工业的发展，越来越多的场合应用到多电机传动系统，包括军事，航空以及印刷和纺织等工业领域。为了提高多电机传动系统的动态和稳态性能，以及满足一些特定系统对多电机精确同步的要求，多电机同步控制方法的研究变得越来越重要。例如一个高精度的多电机同步控制系统可以应用到航空器的对接和智能化雷达群的协调控制。

Abstract： With the development of industry， the multi-motor drive system is widely used in more and more areas including military， aviation and printing and textile industries. In order to improve the dynamic and steady-state performance of multi-motor drive system and to meet the requirements on its precise synchronization in some specific system， it is important to research the multi-motor synchronous control system. For example， a high-precision multi-motor synchronous control system can be applied to the coordination of aircraft docking and intelligent radar group.

关键词： 控制；直流；同步

Key words： control；DC；synchronization

中图分类号：TM921.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）02-0111-02

1 控制结构

1.1 并行控制

双直流伺服电机并行控制是一種典型的非耦合控制，这种控制算法在同步精度要求不高的很多领域中得到了广泛的应用，以两台电机组成的系统为例，在并行控制下，两台电机分别跟踪用户给定值，相当于一个开环系统，系统结构如图1。这种结构又被称为并联控制结构，由于其各轴的运动控制回路采用相互独立的设计，两个电机之间不存在任何交互联系，当一台电机受到未知扰动而影响其输出时，这种结构无法保证双电机之间的同步性能。所以并行控制只能用于没有机械耦合的同步控制中，对于具有机械耦合的结构，若是两台电机任意时刻产生位置环的不同步，极有可能造成机械结构的损坏。

1.2 主从控制

主从控制是一种传统的耦合控制，它是基于同一给定的串联运行方法，以前一台电机的转速输出作为下一台电机的转速输入。主从控制系统结构如图2。主从控制系统在并行控制的基础上加以改进，设置了主从联系的环节。主电机以用户的给定速度作为参考值，在运行过程中紧密跟踪系统给定值，而从电机以主电机的转速作为自己的参考值，在运行过程中紧密跟踪主电机。当主电机发生负载变化时，主电机输出伴随输入有相应的变化，因此从电机的输出转速也会有相应的扰动。当从电机负载发生变化时，由于系统没有从电机反馈环节，主电机没有得到从电机负载变化的信息，因此继续保持原有的响应曲线，主从控制的这一特性与并行控制相似。主从控制方法简单易行，但是启动过程跟随性能不是很好，抗负载扰动也不是十分理想。

1.3 偏差耦合控制

偏差耦合控制的两台电机分别跟踪同一系统给定值，对主从电机反馈回来的速度差值作差，再进行PID调节作为当负载有变化时的速度反馈额外补偿。偏差耦合控制的结构如图3。偏差耦合控制策略是目前双直流伺服电机常用的控制方式。它在传统耦合控制的基础上加以改进，设置速度补偿器以及PID调节环节，使主从电机控制系统形成有效的反馈。当某一台电机负载发生扰动时，电机转速会出现一定的波动，这时系统给定与转速环反馈的差值发生变化，该差值与另一台电机的给定与转速环差值作差，然后经过调节器调节，形成一个补偿信号，将该补偿信号反馈到主从电机的控制系统。

2 仿真

建立双直流伺服电机同步控制系统仿真电路原理图之后。其中一台看作是主电机，另一台是从电机。设置给定转速为1000r/min，以阶跃信号的形式输入。下面对三种同步控制方法进行仿真，通过三种情况的仿真进行分析，包括空载启动、负载干扰以及给定突变。

2.1 空载启动

三种同步控制系统的空载响应曲线都在1.3s达到稳定运行的状态。由于并行控制的两台电机参数相同，所以空载响应曲线重合。说明并行控制跟踪系统给定的能力比较强，在没有外界扰动的情况下同步性能比较好。主从控制在启动初期，两台电机转速出现了失同步的现象，说明主从控制的两台电机跟随性不是很理想。偏差耦合控制空载响应曲线与并行控制相同，具备较好的同步性能。

2.2 负载扰动

在生产过程中，外界扰动是影响电机同步性能的主要因素。外界对系统的扰动包括负载阻力扰动，风阻力扰动和摩擦阻力扰动。在生产实际中经常出现的是负载阻力扰动，同时这种扰动对系统同步性能的影响也是最大的。由于系统对任何扰动的响应都可以反映到转速的波动上。所以我们可以将其它的扰动通通转化整合为负载阻力扰动。因此本文忽略其它扰动，只考虑负载扰动一种情况是不会影响分析结果的。

本文考虑电机的负载能力和系统达到稳态的时间，在4秒的时刻给系统加一个负载。系统负载扰动分为两种情况，一种是主电机负载扰动，另一种是从电机负载扰动，下面分情况讨论。

并行控制中，无论主电机还是从电机负载出现扰动，另一台电机都会保持原来的运行方式，不会受到负载扰动的影响，两台电机在0.8s以后重新进入同步运行的状态。所以该控制方式在出现扰动时同步精度比较差。在主从控制中，当主电机负载出现扰动时，从电机会跟随主电机而出现转速波动的情况。但是从电机的扰动则反映不到主电机的控制系统中，因此产生了暂时的失同步。两种情况下主从控制系统受扰动的影响时间大约为0.8s。两台电机在偏差耦合控制中，无论是哪台电机负载出现扰动，另一台电机都会伴随扰动产生转速波动的情况。endprint

2.3 给定转速突变

在4秒时刻使系统给定由1000r/min变为500r/min，观察三种控制系统响应曲线。并行控制和偏差耦合控制的转速突变响应曲线相同，都会在突变出现后的1.1s恢复稳定运行，体现了很好的同步性能。而主从控制则在给定变化时出现了失同步的现象，说明主从控制的跟随性能不是很理想。总之，无论是空载启动还是负载扰动，给定转速突变的情况，偏差耦合控制在同步性能方面都体现了一定的优越性。

3 总结

本文通过对并行控制，主从控制，偏差耦合控制仿真，得到系统在空载启动，负载扰动，给定速度突变三种情况下的响应曲线。分析仿真结果得到，并行控制在启动和停机时的同步性能比较好，但是在负载扰动的情况下，由于主从电机分别跟踪系统给定，两者之间没有有效的反馈环节，所以会产生比较大的同步偏差。主从控制在并行控制的基础上加以改进，主电机的输出作为从电机的输入，当主电机负载变化，从电机负载不变的情况下，从电机的转速响应曲线會跟随主电机的负载扰动而出现转速波动的现象，体现了一定的同步性能，在这一点上主从控制要优于并行控制。但是当从电机出现负载扰动时，由于从电机的负载扰动情况反馈不到主电机的控制系统，此时就会在主从电机之间产生同步偏差。所以主从控制的同步控制精度得不到保证。偏差耦合控制设置了转速补偿器，把两台电机的转速差作为负载出现扰动电机的额外补偿。无论是主电机还是从电机出现负载扰动，两台电机都能彼此互相跟随，保持比较好的同步性。对比几种同步控制算法的同步性能，偏差耦合控制要明显优于以上两种控制方法。

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