多电机同步控制策略的改进

文/许智勇 王冬华

随着我国工业技术的不断发展进步，各行各业对机械设备的性能质量要求也越来越高，许多大型的机械设备必须依靠多台电机的共同协作才能保证生产的顺利完成。由此可见，单台电机的使用已无法适用机械设备的发展需要，由于多台电机在共同协作时，会存在位置、速度约束的问题，所以需要采用一定的办法来改善多电机同步运转效率和质量。

1 多电机同步控制的措施

机械设备加工控制系统的关键组成部分是传动控制。机械设备系统的运行需要多个轴的共同传动协作，电动机的控制驱动轴的功能就是控制这些轴的转动。保证电机的正常运行。在传动系统的同步控制技术包括多种技术方法。它们分别主从控制、偏差耦合控制、虚拟总轴控制、交叉耦合控制和并行控制。

1.1 并行控制

并行控制又称为同等控制，高速控制系统在运行过程中，会以同一速度进行运转，一旦系统存在负载严格相同的情况，就能保证同步控制。这种控制办法侧重于控制实际速度和理论速度的误差，不太注重于不同电机间的误差情况。利用并行控制法时，多电机在停止、起动阶段具有良好的同步性，这是并行控制策略的优势。但是在这种控制法下，整个系统如同处于开环控制中，如果系统一旦受到外界因素干扰，容易降低其同步性能，不能有效保证电机的同步控制性能，影响电机的运行质量和效率。

1.2 主从控制法

电机在运行过程中的转速输入参考值需要主电机的输出。以此方法来保证从电机能与主电机速度同步运行。由于从机和主机的转换反馈环节不存在于主从控制法中，因此在具体的实际操作中，电机如果具有转多惯量大的特点，那种就选择此种电机作为主机，属于转动惯量小电机，则作为从机。

1.3 虚拟主轴控制法

这种控制法最早是由西方国家的研究人员提出的。该控制是基于利用相对刚度控制的特点，经西方研究人员Lorenz和Valenzula的深化扩展而成的。该控制通过模拟机械总轴的功能，利用其同步运行的特点，当总轴与系统输入信号发生效应后，单元驱动会产生参考信号，而系统会识别参考信号，进而系统会进行驱动单元跟踪。由于信号与总轴发生效应，并且信号是来源于过滤波，因此，在电机运行过程中的实际转速度与主参考值会产生一定的偏差。

1.4 交叉耦合控制法

该控制法是从上世纪八十时代时的Koren所提出，该控制法是通过运行位置与速度进行对比作差，系统所产生的反馈信号就是其差值，然后再中系统产生的反馈信号。以此达同同步控制的目的，以上就是交叉耦合控制法的运行原理。利用该控制法，单一电机的负载变化情况都可以通过系统来反应。一旦存在超过2台以上的电机就无法采用该控制法。就是交叉耦合控制法的弊端。

1.5 偏差耦合控制法

偏差耦合控制过电机速度反馈作差来实现同步控制，即比较一台电机和其它电机的速度反馈情况，将两者进行分别作差。从而求得电机偏差的数值，将所有数值相加汇总，电机所产生的速度补偿信号就是所计算的汇总数值，由于各电机间的转动惯量存在差别，就以增益作为补偿。以此来保证电机的同步控制质量和效率。

2 控制算法

随着实践和研究的不断深入和发展，多电机同步控制算法种类已经得到广泛的发展，它包含PID控制、模糊控制、神经网络、H∞控制和、滑模变结构等控制算法。控制算法和控制策略相融合是研究多电机同步控制方法的重点。

2.1 环形耦合控制

该控制法既考虑到电机在运行过程中产生的跟踪误差，也照顾到相邻电机所产生的同步误差。环形耦合控制控制法利用耦合补偿原理的作用，结合同一给定控制的理论特点，将两者统一融合而形成环形耦合控制控制法。在多电机的运行过程中，电机之间的转速差的补偿，可以通过环形耦合控制控制法来实现。因此，该控制法能有效地促进电机的同步性能的发展。确保多电机同步控制的质量和效率

2.2 自抗扰控制

上世纪九十年代，我国研究专家通过运用PID控制原理的基础上，吸收现代控制理论的最新成果，发展出了自抗扰控制法。自抗扰控制法将现代控制理论的知识和经典控制理论知识进行有机融合，发展出补偿+观测的新方法。

2012年我国的研究专家又根据二阶自抗扰技术的理论观点，通过研究三电机同步控制的特点，研究分离性原理在多电机同步控制下的特性，通过设计扩张状态跟踪器、误差反馈和跟踪微分器这三大设备，再综合各组成部分的特性进行试验，最后终出的结论是：电机速度与超调量之间的负相关关系可以控制器来进行解决。该控制法能达到从电机与主电机的速度达到同步变化的目的。

2.3 虚拟主轴

该控制法的提出距离现今已经有20多年，美国的研究专家Robert D.Lorenz教授在这方面曾展开了大量的研究，虚拟主轴同步法也是由这位教授由2001年发展而来，该方法当时是应用在造纸机同步系统。经过大量的试验证明，电机如果出现负载扰动的现象或部分负载过大的情况，运用虚拟主轴同步法能够出色地保证系统的同步性。与传统的局部负载系统相对，虚拟主轴同步法也能有效地解决局部系统崩溃的现象。

在多电机同步控制方面，虚拟主轴具有出色的性能。因此，我国研究专家也对该方法进行了深入的研究。并在高铁牵引系统中应用了该方法。根据虚拟主轴控制、交叉耦合控制、主从控制和同等控制的特点，设置在同等条件下，针对各种控制法的特点进行仿真实验。经过试验，结论证明在同等条件下，虚拟主轴控制法的效果明显比其它三种控制方法要好，在同步跟踪性能方面，虚拟主轴控制法更具优势。而针对在运用虚拟主轴控制法所存在超调情况的问题，有研究人员提出了新的解决方案，提出分别控制电机对起动阶段和运行过程的解决办法。在电机工作过程中，对起动阶段所产生的误差，进行补偿的方法来消除误差。仿真试验的结果证明虚拟主轴具有良好的抗扰动性能，能有效保证多电机同步控制。

3 控制策略之间的对比

通过上面的论述，各种控制策略都有各自的优势和劣势。传统的PID控制算法操作简单方便，有相对固定的控制参数，但是针对非线性控制的情况就显得有心而力不足，抗干扰性差，控制效果不佳。

环形耦合控制和相邻交叉耦合控制的控制理念相同，通过耦合相邻的电机形成一个耦合环，电机的数量多少不影响到系统的同步运行。耦合控制控制法是通过两台电机之间的补偿来实现同步控制的目的。耦合控制法具有良好的外部扰动收敛性、同步控制性、动态性、鲁棒性和抗干扰性。

而自抗扰控制上具有控制算法简单的特点，控制对象模型的情况不影响到它的控制性。而且它具有良好的跟踪效果，较快的响应速度和解耦性。

负载抗干扰性强和负载能力高是虚拟主轴控制的特点，而且虚拟主轴控制具有优秀的同步跟踪功能，较快的动态响应速度。因此，虚拟主轴控制法具有较好的机械轴上同步控制性。

4 结语

随着我国制造业水平不断发展进步，机械设备的功能越来越强大，为保证机械设备的有效运行，特别是大型机械设备的使用，必须依靠多电机的共同协作。因此，必须高度重视多电机共同控制策略的研究，通过有效的控制策略来保证多电机的协同作业，为机械设备提供稳定不间断的动力支持，保证机械设备的高速高效运转。