多电机同步协调控制技术初探

王超雄

摘  要：本文对近年来提出的典型控制策略进行了归纳分析，对比探讨了各种控制策略的优缺点，并对多电机同步协调控制技术的发展方向进行了展望。

关键词：多电机同步控制;辨识;发展趋势

一、多电机控制系统的干扰因素

（一）电源的稳定性。目前，绝大多数的电机是依靠交流电来驱动的。电路系统中大功率设备的通断、供电电压波形的变化等因素都会造成控制系统的干扰，而这种干扰对各类系统都会产生影响。因此在多电机控制系统中除了要安装电抗器以外，对系统的低压控制电源还需采取额外的抗干扰措施以保证电源的稳定。

（二）信号回路的干扰。多电机系统中自身的众多信号线在工作过程中会产生相应的串扰和反射，从而影响多电机的控制系统。除此之外外部的电磁噪声也会对多电机控制系统产生干扰，他们在工作的同时会产生相应的电磁场从而会对多电机控制系统产生干扰。因此也应加强信号线路本身的抗干扰能力。

二、多电机同步协调控制方案分析

（一）机械同步。机械同步当中用一个大功率驱动系统以一个固定的总轴旋转速度来进行驱动，所有的被驱动单元都啮合在这个总轴上。当某一单元的载荷发生变化时，通过齿轮箱，就会将这种变化反馈到总轴上，从而使总轴的旋转速度产生相应的变化，同时其他单元的速度也会随着扰动单元速度的变化产生相应的变化。因此可知多电机控制系统中的各个单元是一个有机整体，某一单元的变化会对整个系统产生影响。

机械控制系统由于自身的特点，也存在一定的缺陷。主要包括：（1）由于机械总轴电容量的限制，导致各个单元输出的力矩有限，能承受的载荷也有限。（2）电机机械总轴容易出现震荡，影响系统的稳定性。（3）各个驱动单元都需要配备相应的变速箱，灵活性不高，且维修成本较高。

（二）电力同步。（1）多电机同步协调的非耦合控制。多电机非耦合控制系统一般包括两种主要的形式，基于相同给定参数信号的并联运行模式以及主从同步控制系统。基于相同给定参数信号的并联运行模式是一种相对比较简单的非耦合控制方法，如图1。

图1  基于给定相同参数信号的并联运行模式示意图

在上述系统中，每个电机的输入信号直接由系统给定，系统在启动和停止阶段的同步性能非常好。同时各个单元的的输入信号只受参数信号的作用，屏蔽了其他外界因素的干扰。某一单元信号的波动不会对其他单元产生影响，可以更好地实现多电机的同步性。而另一种非耦合多电机同步协调控制的方式是主从同步控制系统，如图2所示。

图2  主从同步控制系统示意图

从图2中可知，从属电机的输入转速值即为主电机的输出转速值，也就是说从电机能够及时反映主电机上的相关参数。如果存在多台电机的话，上述系统有两种主要的控制方式。1）第一台作为主电机，剩下的电机都当做从属电机。将主电机的输出信号作为剩下所有从属电机的输入信号，这样的话从属电机都能直接反应主电机的载荷扰动，而主电机却不受从属电机载荷扰动的影响。2）将第一台电机作为主电机，最后一台电机作为从属电机。中间的电机同时兼任主电机和从属电机两个角色。在整个控制系统中，除了从属电机，任何一台电机的载荷扰动都会对其后面的电机产生相应的影响，而其上游的电机却不受其影响。

（2）多电机的耦合控制。多电机非耦合控制系统虽然在某种程度上可以提高系统对电机同步性的控制效果，但是其仍存在一定的局限性。因此针对电机的同步协调控制又提出了交叉耦合控制策略以及偏差耦合控制策略。1）交叉耦合信号主要是首先将对应的电机速度信号进行对比差值，将差值作为反馈信号进行跟踪补偿，从而保证系统及时感应接受电机的状态变化，保证系统获得良好的同步控制，如图3。2）偏差耦合控制主要是将相关的电机反馈做差，并将其作为电机的补偿信号，从而改善其协调控制性能，如图4，5。

图3  交叉耦合控制系统示意图

图4  多电机偏差耦合控制示意图

图5  速度补偿示意图

但是上述系统还是不能很好的解决多电机动态性能匹配以及跟踪轨迹非线性等问题。

上述的所有控制系统基本上都是由电动机带动通过相应的机械结构做相应的机械运动。在实际的运行过程中，产生负载的因素很多，而且负载一般都是动态变化的。因此在相应的系统设计中需要充分考虑负载的变化因素，要采取相应的补偿措施来保证多电机的同步性。

三、研究动向展望

（一）较高的跟踪精度。系统能否跟踪输入参数信号并达到较高的精度是评判一个系统同步性的重要标准，某些工业领域不但要求多电机能够同步，还要求系统能够高精度的跟踪相关的输入信号参数。

（二）良好的负载特性。在一定范围内，随着系统载荷的增加，系统的同步协调性能也不受影响。

（三）较强的抗干扰能力和鲁棒性能。在实际的应用过程中系统需要较强的抗干扰能力。同时随着外界环境条件的变化，系统参数的漂移要能控制在一定的范围内。

（四）较高的稳定性、可靠性和灵敏性。系统的可靠性和稳定性是系统能够正常运作的前提。同时系统还要能够及时对外界输入信号做出反应，并进行相应的跟踪。

结论：本文针对多电机同步协调控制技术进行了回顾和总结，并对目前多电机同步系统主要的干扰因素以及实现方案进行了阐述，在此基础上还对目前关于多电机同步协调控制研究的热点和方向进行了展望，以期为多电机同步协调控制的研究提供参考。

参考文献：

[1] 项云韦.多台电机同步协调运转的变结构控制[J].电气传动自动化，1999，21 （3） ： 33-34.

[2] 李艳，邵日样，邵世煌.模糊控制在电气传动中的运用现状及前景[J].电气传动，1997， （2） ： 3-9.endprint

摘  要：本文对近年来提出的典型控制策略进行了归纳分析，对比探讨了各种控制策略的优缺点，并对多电机同步协调控制技术的发展方向进行了展望。

关键词：多电机同步控制;辨识;发展趋势

一、多电机控制系统的干扰因素

（一）电源的稳定性。目前，绝大多数的电机是依靠交流电来驱动的。电路系统中大功率设备的通断、供电电压波形的变化等因素都会造成控制系统的干扰，而这种干扰对各类系统都会产生影响。因此在多电机控制系统中除了要安装电抗器以外，对系统的低压控制电源还需采取额外的抗干扰措施以保证电源的稳定。

（二）信号回路的干扰。多电机系统中自身的众多信号线在工作过程中会产生相应的串扰和反射，从而影响多电机的控制系统。除此之外外部的电磁噪声也会对多电机控制系统产生干扰，他们在工作的同时会产生相应的电磁场从而会对多电机控制系统产生干扰。因此也应加强信号线路本身的抗干扰能力。

二、多电机同步协调控制方案分析

（一）机械同步。机械同步当中用一个大功率驱动系统以一个固定的总轴旋转速度来进行驱动，所有的被驱动单元都啮合在这个总轴上。当某一单元的载荷发生变化时，通过齿轮箱，就会将这种变化反馈到总轴上，从而使总轴的旋转速度产生相应的变化，同时其他单元的速度也会随着扰动单元速度的变化产生相应的变化。因此可知多电机控制系统中的各个单元是一个有机整体，某一单元的变化会对整个系统产生影响。

机械控制系统由于自身的特点，也存在一定的缺陷。主要包括：（1）由于机械总轴电容量的限制，导致各个单元输出的力矩有限，能承受的载荷也有限。（2）电机机械总轴容易出现震荡，影响系统的稳定性。（3）各个驱动单元都需要配备相应的变速箱，灵活性不高，且维修成本较高。

（二）电力同步。（1）多电机同步协调的非耦合控制。多电机非耦合控制系统一般包括两种主要的形式，基于相同给定参数信号的并联运行模式以及主从同步控制系统。基于相同给定参数信号的并联运行模式是一种相对比较简单的非耦合控制方法，如图1。

图1  基于给定相同参数信号的并联运行模式示意图

在上述系统中，每个电机的输入信号直接由系统给定，系统在启动和停止阶段的同步性能非常好。同时各个单元的的输入信号只受参数信号的作用，屏蔽了其他外界因素的干扰。某一单元信号的波动不会对其他单元产生影响，可以更好地实现多电机的同步性。而另一种非耦合多电机同步协调控制的方式是主从同步控制系统，如图2所示。

图2  主从同步控制系统示意图

从图2中可知，从属电机的输入转速值即为主电机的输出转速值，也就是说从电机能够及时反映主电机上的相关参数。如果存在多台电机的话，上述系统有两种主要的控制方式。1）第一台作为主电机，剩下的电机都当做从属电机。将主电机的输出信号作为剩下所有从属电机的输入信号，这样的话从属电机都能直接反应主电机的载荷扰动，而主电机却不受从属电机载荷扰动的影响。2）将第一台电机作为主电机，最后一台电机作为从属电机。中间的电机同时兼任主电机和从属电机两个角色。在整个控制系统中，除了从属电机，任何一台电机的载荷扰动都会对其后面的电机产生相应的影响，而其上游的电机却不受其影响。

（2）多电机的耦合控制。多电机非耦合控制系统虽然在某种程度上可以提高系统对电机同步性的控制效果，但是其仍存在一定的局限性。因此针对电机的同步协调控制又提出了交叉耦合控制策略以及偏差耦合控制策略。1）交叉耦合信号主要是首先将对应的电机速度信号进行对比差值，将差值作为反馈信号进行跟踪补偿，从而保证系统及时感应接受电机的状态变化，保证系统获得良好的同步控制，如图3。2）偏差耦合控制主要是将相关的电机反馈做差，并将其作为电机的补偿信号，从而改善其协调控制性能，如图4，5。

图3  交叉耦合控制系统示意图

图4  多电机偏差耦合控制示意图

图5  速度补偿示意图

但是上述系统还是不能很好的解决多电机动态性能匹配以及跟踪轨迹非线性等问题。

上述的所有控制系统基本上都是由电动机带动通过相应的机械结构做相应的机械运动。在实际的运行过程中，产生负载的因素很多，而且负载一般都是动态变化的。因此在相应的系统设计中需要充分考虑负载的变化因素，要采取相应的补偿措施来保证多电机的同步性。

三、研究动向展望

（一）较高的跟踪精度。系统能否跟踪输入参数信号并达到较高的精度是评判一个系统同步性的重要标准，某些工业领域不但要求多电机能够同步，还要求系统能够高精度的跟踪相关的输入信号参数。

（二）良好的负载特性。在一定范围内，随着系统载荷的增加，系统的同步协调性能也不受影响。

（三）较强的抗干扰能力和鲁棒性能。在实际的应用过程中系统需要较强的抗干扰能力。同时随着外界环境条件的变化，系统参数的漂移要能控制在一定的范围内。

（四）较高的稳定性、可靠性和灵敏性。系统的可靠性和稳定性是系统能够正常运作的前提。同时系统还要能够及时对外界输入信号做出反应，并进行相应的跟踪。

结论：本文针对多电机同步协调控制技术进行了回顾和总结，并对目前多电机同步系统主要的干扰因素以及实现方案进行了阐述，在此基础上还对目前关于多电机同步协调控制研究的热点和方向进行了展望，以期为多电机同步协调控制的研究提供参考。

参考文献：

[1] 项云韦.多台电机同步协调运转的变结构控制[J].电气传动自动化，1999，21 （3） ： 33-34.

[2] 李艳，邵日样，邵世煌.模糊控制在电气传动中的运用现状及前景[J].电气传动，1997， （2） ： 3-9.endprint

摘  要：本文对近年来提出的典型控制策略进行了归纳分析，对比探讨了各种控制策略的优缺点，并对多电机同步协调控制技术的发展方向进行了展望。

关键词：多电机同步控制;辨识;发展趋势

一、多电机控制系统的干扰因素

（一）电源的稳定性。目前，绝大多数的电机是依靠交流电来驱动的。电路系统中大功率设备的通断、供电电压波形的变化等因素都会造成控制系统的干扰，而这种干扰对各类系统都会产生影响。因此在多电机控制系统中除了要安装电抗器以外，对系统的低压控制电源还需采取额外的抗干扰措施以保证电源的稳定。

（二）信号回路的干扰。多电机系统中自身的众多信号线在工作过程中会产生相应的串扰和反射，从而影响多电机的控制系统。除此之外外部的电磁噪声也会对多电机控制系统产生干扰，他们在工作的同时会产生相应的电磁场从而会对多电机控制系统产生干扰。因此也应加强信号线路本身的抗干扰能力。

二、多电机同步协调控制方案分析

（一）机械同步。机械同步当中用一个大功率驱动系统以一个固定的总轴旋转速度来进行驱动，所有的被驱动单元都啮合在这个总轴上。当某一单元的载荷发生变化时，通过齿轮箱，就会将这种变化反馈到总轴上，从而使总轴的旋转速度产生相应的变化，同时其他单元的速度也会随着扰动单元速度的变化产生相应的变化。因此可知多电机控制系统中的各个单元是一个有机整体，某一单元的变化会对整个系统产生影响。

机械控制系统由于自身的特点，也存在一定的缺陷。主要包括：（1）由于机械总轴电容量的限制，导致各个单元输出的力矩有限，能承受的载荷也有限。（2）电机机械总轴容易出现震荡，影响系统的稳定性。（3）各个驱动单元都需要配备相应的变速箱，灵活性不高，且维修成本较高。

（二）电力同步。（1）多电机同步协调的非耦合控制。多电机非耦合控制系统一般包括两种主要的形式，基于相同给定参数信号的并联运行模式以及主从同步控制系统。基于相同给定参数信号的并联运行模式是一种相对比较简单的非耦合控制方法，如图1。

图1  基于给定相同参数信号的并联运行模式示意图

在上述系统中，每个电机的输入信号直接由系统给定，系统在启动和停止阶段的同步性能非常好。同时各个单元的的输入信号只受参数信号的作用，屏蔽了其他外界因素的干扰。某一单元信号的波动不会对其他单元产生影响，可以更好地实现多电机的同步性。而另一种非耦合多电机同步协调控制的方式是主从同步控制系统，如图2所示。

图2  主从同步控制系统示意图

从图2中可知，从属电机的输入转速值即为主电机的输出转速值，也就是说从电机能够及时反映主电机上的相关参数。如果存在多台电机的话，上述系统有两种主要的控制方式。1）第一台作为主电机，剩下的电机都当做从属电机。将主电机的输出信号作为剩下所有从属电机的输入信号，这样的话从属电机都能直接反应主电机的载荷扰动，而主电机却不受从属电机载荷扰动的影响。2）将第一台电机作为主电机，最后一台电机作为从属电机。中间的电机同时兼任主电机和从属电机两个角色。在整个控制系统中，除了从属电机，任何一台电机的载荷扰动都会对其后面的电机产生相应的影响，而其上游的电机却不受其影响。

（2）多电机的耦合控制。多电机非耦合控制系统虽然在某种程度上可以提高系统对电机同步性的控制效果，但是其仍存在一定的局限性。因此针对电机的同步协调控制又提出了交叉耦合控制策略以及偏差耦合控制策略。1）交叉耦合信号主要是首先将对应的电机速度信号进行对比差值，将差值作为反馈信号进行跟踪补偿，从而保证系统及时感应接受电机的状态变化，保证系统获得良好的同步控制，如图3。2）偏差耦合控制主要是将相关的电机反馈做差，并将其作为电机的补偿信号，从而改善其协调控制性能，如图4，5。

图3  交叉耦合控制系统示意图

图4  多电机偏差耦合控制示意图

图5  速度补偿示意图

但是上述系统还是不能很好的解决多电机动态性能匹配以及跟踪轨迹非线性等问题。

上述的所有控制系统基本上都是由电动机带动通过相应的机械结构做相应的机械运动。在实际的运行过程中，产生负载的因素很多，而且负载一般都是动态变化的。因此在相应的系统设计中需要充分考虑负载的变化因素，要采取相应的补偿措施来保证多电机的同步性。

三、研究动向展望

（一）较高的跟踪精度。系统能否跟踪输入参数信号并达到较高的精度是评判一个系统同步性的重要标准，某些工业领域不但要求多电机能够同步，还要求系统能够高精度的跟踪相关的输入信号参数。

（二）良好的负载特性。在一定范围内，随着系统载荷的增加，系统的同步协调性能也不受影响。

（三）较强的抗干扰能力和鲁棒性能。在实际的应用过程中系统需要较强的抗干扰能力。同时随着外界环境条件的变化，系统参数的漂移要能控制在一定的范围内。

（四）较高的稳定性、可靠性和灵敏性。系统的可靠性和稳定性是系统能够正常运作的前提。同时系统还要能够及时对外界输入信号做出反应，并进行相应的跟踪。

结论：本文针对多电机同步协调控制技术进行了回顾和总结，并对目前多电机同步系统主要的干扰因素以及实现方案进行了阐述，在此基础上还对目前关于多电机同步协调控制研究的热点和方向进行了展望，以期为多电机同步协调控制的研究提供参考。

参考文献：

[1] 项云韦.多台电机同步协调运转的变结构控制[J].电气传动自动化，1999，21 （3） ： 33-34.

[2] 李艳，邵日样，邵世煌.模糊控制在电气传动中的运用现状及前景[J].电气传动，1997， （2） ： 3-9.endprint