随动系统多电机同步控制技术分析

王超雄

（平顶山煤矿机械有限责任公司，河南 平顶山 467099）

大功率随动系统主要应用于大型、 重型机床以及大型武器等系统的测试。 不同的测试对象对系统的要求存在一定的差别，例如对精密的重型机床测试时，通常要求系统具有足够的稳定性与精度， 而对大型武器系统进行测试时，在要求精度、稳定性的基础上还要求系统具有足够的响应速度和加速度。 而随动系统主要是依靠电机进行驱动的，所以，为了保证系统有足够的响应速度以及响应加速度，就需要对电机进行准确、快速的控制，从而提高系统的整体性能。

1 随动系统的概念及其电机的控制

所谓随动系统， 就是指在对应范围内以任意变化的目标指令为基础进行反馈控制的动作。 其主要的工作是基于给定的指令信号，在完成功率放大、变换之后，实现对驱动设备输出力矩、速度以及位置等的灵活控制，保证驱动设备响应的实时性。

通常，随动系统主要采用单电机进行控制。 但是，使用单电机存在着响应速度受限制的问题， 不能提高整个系统响应的实时性。 随着控制技术的不断发展，采用多电机同步控制方式来提高随动系统的响应速度成为了可能。 在实际的应用过程中，通过使用多个小体积、高精度的中等功率电机来驱动随动系统成为当前随动系统设计优先采用的驱动方案[1]。 通过使用多电机同步控制，能够根据实际需要进行多电机的切换， 同时通过对应的控制策略， 消除传统系统因为传动齿间隙造成的传动响应延时的问题，从而有效地提高整个系统的响应精度。

2 随动系统多电机同步控制技术

采用多电机同步控制系统作为随动系统的驱动方案时，即使所选择的电机型号相同，在实际的运行过程中依然会因为外界相关因素以及系统自身参数的变化而发生对应的波动。 在传统的控制系统中，针对各个电机进行单独设计和控制， 使得多个电机系统在实际的驱动过程中不会相互影响。 这种方式虽然保证了电机之间的独立性，但也导致电机之间的同步性不足， 使得控制系统的整体性受到影响。 这时，在设计过程中若使用非交叉耦合同步控制测量方式对多个电机进行驱动的同步控制， 则可以实现各个电机之间的相互联系， 从而完成电机之间的联动控制，保证整个随动系统的同步性。 在具体的实现过程中，所采取的控制技术较多，一般是采用PID 控制策略。通过使用PID 控制器对随动系统进行控制， 借助PID 控制体系的结构简单、参数整定的优势，能够满足随动系统的基本控制需要[2]。 图1 所示为PID 控制器在随动系统中的作用原理图。

图1 随动系统中PID 控制器作用原理图

图中，r（t）表示系统控制信号输入，c（t）为系统的输出控制信号，u（t）为PID 控制器的输出控制量。 在系统控制过程中，PID 控制器通过将比例、 积分以及微分控制环节线性地组合起来，完成对控制对象的控制。 通过使用r（t）与c（t）之间的差值e（t）对系统进行控制，并输出u（t）控制量，对控制对象进行作用控制，使得被控制对象随着输入信号r（t）的变化而变动[3]。

多电机同步控制系统是为了实现对电机速度进行同步控制而设计的， 在完成电机电流环、 速度环的校正之后，对多个电机使用偏差耦合方式进行同步控制，其中，差速控制是基于PID 控制器的控制原理设计的。 在整个控制系统中， 单个电机使用的是电流反馈与速度反馈闭环控制方式。 三个电机之间使用了偏差耦合的方式进行连接， 并使用两个电机之间的速度差作为PID 控制器的差速输入值， 并以反馈量的形式对两个电机之间的输入端进行差速补偿，从而消除两电机之间的转速差，使得三个电机之间的转速达到同步。

采用PID 作为控制器对控制参数进行整定处理之后，能够得到较平稳的同步控制效果。 但是，整个控制体系存在一定的局限性， 主要表现在控制器三个参数之间因为控制作用的相互影响而使得随动系统的稳定性、响应速度以及响应精度都受到影响， 最终使得控制效果受到一定的影响。 但是，对于普通的随动系统多电机同步控制，该设计方案基本能够满足实际应用需要。

3 随动系统多电机同步控制方案仿真验证

为了验证所设计的基于PID 控制器的随动系统多电机同步控制方案的实际应用效果， 本文使用simulink 对同步控制方案进行仿真验证， 确认其是否能够满足随动系统多电机同步控制的基本需要。

在仿真过程中，PID 控制器的三个参数分别为：Kp=100，Tl=1，Td=0.25。仿真计算得到的多个电机在PID 同步控制器下的同步输出曲线如图2 所示。

图2 PID 同步控制器下随动系统多电机的同步输出曲线

分析图2 可知， 图中虚线表示多电机系统额定的转速值， 而三条实线则分别是所控制的三个电机输出转速的实时测量值。 在5s 时， 给随动系统增加了一个值为60N·m 的干扰力矩， 在10s 时给随动系统再增加了一个值为-60N·m 的干扰力矩。 从图中可知，在没有受到干扰力矩影响时，系统能够稳定地运行，三个电机实现了同步运行，且两两之间的误差基本为零，满足随动系统对同步转速误差在0.5rpm 范围之内的基本要求。 这表明所设计的基于PID 控制器的随动系统多电机驱动控制系统性能满足基本需要。 但是，在外界干扰因素的作用下，随动系统表现出了较为明显的控制波动， 表明控制系统的超调量较大，而且再次进入稳态的时间较长。 在这个过程中，多电机的同步驱动性能变差， 有碍随动系统稳定性的保持及相应快速性的保证。

4 结论

在采用偏差耦合同步控制理论的基础上， 基于PID控制器对随动系统多电机同步控制方法进行了分析。 并针对随动系统的三电机进行了同步控制系统的设计，并使用simulink 对系统进行了模拟仿真， 结果表明所设计的同步控制系统具有较高的精度， 能够满足随动系统电机的同步需要。 但是，系统的整体超调量较大，容易受到外界因素的干扰，导致同步误差增加，系统稳定性下降。因此，当随动系统精度要求较高时，可以使用其他的同步控制策略对该控制系统进行改进。

［1］张守娟.随动系统的多电机同步控制方法研究［D］.哈尔滨工业大学，2013.

［2］Hu H.Analysis and Simulation of Stochastic Fatigue Reliability for Running System of Self-Propelled Gun ［C］.2011:153-157.

［3］张原，周璐璐.双电机消隙技术在某火炮随动系统中的应用［J］.电子设计工程，2012，20（16）：106-108.