雙直流伺服電機同步協(xié)調(diào)控制方法研究

李金鵬

摘要： 隨著工業(yè)的發(fā)展，越來越多的場合應用到多電機傳動系統(tǒng)，包括軍事，航空以及印刷和紡織等工業(yè)領域。為了提高多電機傳動系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，以及滿足一些特定系統(tǒng)對多電機精確同步的要求，多電機同步控制方法的研究變得越來越重要。例如一個高精度的多電機同步控制系統(tǒng)可以應用到航空器的對接和智能化雷達群的協(xié)調(diào)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.

關鍵詞： 控制；直流；同步

Key words： control；DC；synchronization

中圖分類號：TM921.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）02-0111-02

1 控制結(jié)構

1.1 并行控制

雙直流伺服電機并行控制是一種典型的非耦合控制，這種控制算法在同步精度要求不高的很多領域中得到了廣泛的應用，以兩臺電機組成的系統(tǒng)為例，在并行控制下，兩臺電機分別跟蹤用戶給定值，相當于一個開環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構如圖1。這種結(jié)構又被稱為并聯(lián)控制結(jié)構，由于其各軸的運動控制回路采用相互獨立的設計，兩個電機之間不存在任何交互聯(lián)系，當一臺電機受到未知擾動而影響其輸出時，這種結(jié)構無法保證雙電機之間的同步性能。所以并行控制只能用于沒有機械耦合的同步控制中，對于具有機械耦合的結(jié)構，若是兩臺電機任意時刻產(chǎn)生位置環(huán)的不同步，極有可能造成機械結(jié)構的損壞。

1.2 主從控制

主從控制是一種傳統(tǒng)的耦合控制，它是基于同一給定的串聯(lián)運行方法，以前一臺電機的轉(zhuǎn)速輸出作為下一臺電機的轉(zhuǎn)速輸入。主從控制系統(tǒng)結(jié)構如圖2。主從控制系統(tǒng)在并行控制的基礎上加以改進，設置了主從聯(lián)系的環(huán)節(jié)。主電機以用戶的給定速度作為參考值，在運行過程中緊密跟蹤系統(tǒng)給定值，而從電機以主電機的轉(zhuǎn)速作為自己的參考值，在運行過程中緊密跟蹤主電機。當主電機發(fā)生負載變化時，主電機輸出伴隨輸入有相應的變化，因此從電機的輸出轉(zhuǎn)速也會有相應的擾動。當從電機負載發(fā)生變化時，由于系統(tǒng)沒有從電機反饋環(huán)節(jié)，主電機沒有得到從電機負載變化的信息，因此繼續(xù)保持原有的響應曲線，主從控制的這一特性與并行控制相似。主從控制方法簡單易行，但是啟動過程跟隨性能不是很好，抗負載擾動也不是十分理想。

1.3 偏差耦合控制

偏差耦合控制的兩臺電機分別跟蹤同一系統(tǒng)給定值，對主從電機反饋回來的速度差值作差，再進行PID調(diào)節(jié)作為當負載有變化時的速度反饋額外補償。偏差耦合控制的結(jié)構如圖3。偏差耦合控制策略是目前雙直流伺服電機常用的控制方式。它在傳統(tǒng)耦合控制的基礎上加以改進，設置速度補償器以及PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，使主從電機控制系統(tǒng)形成有效的反饋。當某一臺電機負載發(fā)生擾動時，電機轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)一定的波動，這時系統(tǒng)給定與轉(zhuǎn)速環(huán)反饋的差值發(fā)生變化，該差值與另一臺電機的給定與轉(zhuǎn)速環(huán)差值作差，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，形成一個補償信號，將該補償信號反饋到主從電機的控制系統(tǒng)。

2 仿真

建立雙直流伺服電機同步控制系統(tǒng)仿真電路原理圖之后。其中一臺看作是主電機，另一臺是從電機。設置給定轉(zhuǎn)速為1000r/min，以階躍信號的形式輸入。下面對三種同步控制方法進行仿真，通過三種情況的仿真進行分析，包括空載啟動、負載干擾以及給定突變。

2.1 空載啟動

三種同步控制系統(tǒng)的空載響應曲線都在1.3s達到穩(wěn)定運行的狀態(tài)。由于并行控制的兩臺電機參數(shù)相同，所以空載響應曲線重合。說明并行控制跟蹤系統(tǒng)給定的能力比較強，在沒有外界擾動的情況下同步性能比較好。主從控制在啟動初期，兩臺電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了失同步的現(xiàn)象，說明主從控制的兩臺電機跟隨性不是很理想。偏差耦合控制空載響應曲線與并行控制相同，具備較好的同步性能。

2.2 負載擾動

在生產(chǎn)過程中，外界擾動是影響電機同步性能的主要因素。外界對系統(tǒng)的擾動包括負載阻力擾動，風阻力擾動和摩擦阻力擾動。在生產(chǎn)實際中經(jīng)常出現(xiàn)的是負載阻力擾動，同時這種擾動對系統(tǒng)同步性能的影響也是最大的。由于系統(tǒng)對任何擾動的響應都可以反映到轉(zhuǎn)速的波動上。所以我們可以將其它的擾動通通轉(zhuǎn)化整合為負載阻力擾動。因此本文忽略其它擾動，只考慮負載擾動一種情況是不會影響分析結(jié)果的。

本文考慮電機的負載能力和系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間，在4秒的時刻給系統(tǒng)加一個負載。系統(tǒng)負載擾動分為兩種情況，一種是主電機負載擾動，另一種是從電機負載擾動，下面分情況討論。

并行控制中，無論主電機還是從電機負載出現(xiàn)擾動，另一臺電機都會保持原來的運行方式，不會受到負載擾動的影響，兩臺電機在0.8s以后重新進入同步運行的狀態(tài)。所以該控制方式在出現(xiàn)擾動時同步精度比較差。在主從控制中，當主電機負載出現(xiàn)擾動時，從電機會跟隨主電機而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動的情況。但是從電機的擾動則反映不到主電機的控制系統(tǒng)中，因此產(chǎn)生了暫時的失同步。兩種情況下主從控制系統(tǒng)受擾動的影響時間大約為0.8s。兩臺電機在偏差耦合控制中，無論是哪臺電機負載出現(xiàn)擾動，另一臺電機都會伴隨擾動產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動的情況。endprint

2.3 給定轉(zhuǎn)速突變

在4秒時刻使系統(tǒng)給定由1000r/min變?yōu)?00r/min，觀察三種控制系統(tǒng)響應曲線。并行控制和偏差耦合控制的轉(zhuǎn)速突變響應曲線相同，都會在突變出現(xiàn)后的1.1s恢復穩(wěn)定運行，體現(xiàn)了很好的同步性能。而主從控制則在給定變化時出現(xiàn)了失同步的現(xiàn)象，說明主從控制的跟隨性能不是很理想?？傊瑹o論是空載啟動還是負載擾動，給定轉(zhuǎn)速突變的情況，偏差耦合控制在同步性能方面都體現(xiàn)了一定的優(yōu)越性。

3 總結(jié)

本文通過對并行控制，主從控制，偏差耦合控制仿真，得到系統(tǒng)在空載啟動，負載擾動，給定速度突變?nèi)N情況下的響應曲線。分析仿真結(jié)果得到，并行控制在啟動和停機時的同步性能比較好，但是在負載擾動的情況下，由于主從電機分別跟蹤系統(tǒng)給定，兩者之間沒有有效的反饋環(huán)節(jié)，所以會產(chǎn)生比較大的同步偏差。主從控制在并行控制的基礎上加以改進，主電機的輸出作為從電機的輸入，當主電機負載變化，從電機負載不變的情況下，從電機的轉(zhuǎn)速響應曲線會跟隨主電機的負載擾動而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動的現(xiàn)象，體現(xiàn)了一定的同步性能，在這一點上主從控制要優(yōu)于并行控制。但是當從電機出現(xiàn)負載擾動時，由于從電機的負載擾動情況反饋不到主電機的控制系統(tǒng)，此時就會在主從電機之間產(chǎn)生同步偏差。所以主從控制的同步控制精度得不到保證。偏差耦合控制設置了轉(zhuǎn)速補償器，把兩臺電機的轉(zhuǎn)速差作為負載出現(xiàn)擾動電機的額外補償。無論是主電機還是從電機出現(xiàn)負載擾動，兩臺電機都能彼此互相跟隨，保持比較好的同步性。對比幾種同步控制算法的同步性能，偏差耦合控制要明顯優(yōu)于以上兩種控制方法。

參考文獻：

[1]孫文煥，程善美，王曉翔，秦憶.多電機協(xié)調(diào)控制的發(fā)展[J].電氣傳動，1999，6.

[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003，7.

[3]王國亮.基于模糊PID補償器的多電機同步控制策略[D].東北大學，2003.

[4]翁秀華.雙直線電機同步控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽工業(yè)大學，2005.

[5]楊晨娜，張怡.雙電機同步控制系統(tǒng)設計與仿真[J].工業(yè)控制計算機，2009（01）.

[6]黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[7]薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析-MATLAB語言應用[M].北京：清華大學出版社，2000.

[8]Fang He； Weiming Tong； Qiang Wang. Synchronization Control Strategy of Multi-motor System Based on Profibus Network. Automation and Logistics，2007 IEEE International Conference on，18-21 Aug. 2007 Page（s）：3029 - 3034.endprint