多电机同步传动控制系统分析

核心提示：　　在造纸、纺织印染等多单元拖动应用中，由于产品柔软性很大，制造过程中如果承受的拉力过大则会使产品断裂、或产品过薄而不符合质量要求；如果拉力过小，则会使产品过厚，不仅不符合要求，还会造成资源浪费。为此

　　在造纸、纺织印染等多单元拖动应用中，由于产品柔软性很大，制造过程中如果承受的拉力过大则会使产品断裂、或产品过薄而不符合质量要求；如果拉力过小，则会使产品过厚，不仅不符合要求，还会造成资源浪费。为此，要求多单元具有同步拖动控制功能，其方案有机械总轴同步控制和主令控制。机械总轴同步控制使各个单元紧密耦合在一起，任一单元运动状态的变化都会通过机械扭矩的作用影响到其它单元的运行，使系统具有固有的同步特性，但传动的范围和距离不可能很大。采用主令控制，各单元的相互距离不受限制，由于各单元松散地连在一起，使用时很灵活，但却失去了机械总轴同步控制所固有的同步特性。如何即保留主令控制物理上松散连接的优点，又获得机械总轴同步控制中物理上紧密耦合时所具有的固有同步特性，是有待研究的课题。

　　2多电机同步控制方案主令同步方式较机械总轴同步方式，由于失去了传统控制方式固有的同步特性，在同步要求较严的控制过程中，只能在特定的工作环境下才能正常工作，如当系统受扰很轻并且各单元的跟随性能相同时。而虚拟总轴控制方式即保留了主令控制方式优点，又具有传统控制方式的固有同步特性，因此能广泛地应用于各种场合。

　　2.1机械总轴同步控制方案传统的机械总轴同步方式由机械部件实现：一台大功率电机拖动一根机械总轴，所有的单元驱动器通过齿轮箱啮合在总轴上，共用相同的输入信号一一机械总轴的旋转速度和累积角度。当某个单元由于负载变化使其转速发生变化时，单元内的轴会产生相应的弹性扭矩，与其连接齿轮箱将这扭矩传递到机械总轴上，致使机械总轴的旋转速度随单元转速朝相同方向变化。而机械总轴的旋转角速度也是所有单元的给定信号，因此其它的单元速度也会随受扰单元速度的变化而变化。可见负载的扰动不仅使本单元的输出变化，也使每个单元的输出信号都向相同的方向变化。正是由于这两方面的作用，负载的扰动所引起的失同步，在机械轴扭矩的作用下能很快回到同步的运行状态。但这种方案有其许多不足。

　　用一个电动机拖动多个负载，由于电机容量有限，限制了每个负载分得的拖动功率，致使单元输出力矩受限，即限制了单元的负载。

　　机械总轴易出现振荡现象。机械总轴系统的粘性系数很小，故传递函数中的振荡环节极易出现共振现象（机械谐振）。若谐振频率较低，会影响系统的稳定性。在机械系统中，该阻尼系数无法调节，难以取得预想的动态性能。

　　受机械总轴固有弹性的限制，机械总轴所能承受的最大输出力矩反比于总轴长度，正比于轴的截面积。当生产工艺要求电机之间距离较远时，由于总轴较长，为了保证总轴能产生带动负载时所需的扭矩，就要求加大总轴的截面积，但这会增加成本。

　　由于所有机械单元用机械部件（齿轮箱）连接在一起，结构相对固定。当需要增加或减少单元时，必须增加或移去这些机械部件。而频繁的单元变动会使系统的操作复杂化。

　　总轴拖动的每一个单元都需要配备一个相应的齿轮箱，齿轮箱的加工及其润滑费用较高，而且齿轮箱的运动方程固定不变，不可编程。

　　当需要通过齿轮箱调节转速比时，只能更换齿轮，因而不灵活。

　　2.2主令控制方案圄1是该方案的结构框圄。在这种方式下，系统的所有单元共享一个输入信号，即信号。各单元之间芫全没有耦合，任一单元的扰动不会影响其它单元的运动状态。由于系统的输入信号（主令信号）直接作用到每个单元的驱动器上，因此每个单元获得一致的输入信号，不受其它因素影响，即任一单元的扰动不会影响其它单元的工作状态。如果仅仅是主令信号的波动，此时各单元的同步主要靠各单元对主令信号的一致跟随。但当某一单元发生扰动时，系统的同步就得不到保证。该方式与机械总轴方式相比，主要是因为失去了单元之间的相互反馈环节，因而失去了机械总轴同步方式的固有同步特性。但相对于机械同步方式，由于各单元单独地使用电机驱动，因而该方式具有大的输出功率。

　　可见，当各单元性能相似时，仅仅只有给定案能较好地实现同步。而任何电机出现了扰动时，会严重影响系统的同步运行情况。

　　2.3虚拟总轴控制方案虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固有同步特性。随着虚拟总轴同步方式的提出，以上的问题得到了很大的改善，系统具有更好的动态性能。虚拟总轴方式不仅具有主令同步方式的大容量特点，还保留了传统同步方式固有的同步特性，同时也使系统具有灵活的拓扑结构。圄2是该信号波动，而任何电机都不会受到扰动时，该方方案的结构框圄。

　　该结构框圄含虚拟总轴（包括总轴驱动器）、虚拟内轴以及机械单元负载。

　　由于它模拟的是机械部件，根据虎克定理为可推出机械轴扭矩为：Tt=KtrX 0，其中Ktr为弹性系数，e是角位移。当考虑衰减系数时，机械扭矩还要加上机械衰减的作用，此时Tt=KtrX 0+KsXw，其中，Ks为衰减系数，w为角速度。在虚拟总轴系统中的扭矩为TT=Ktr0err+KsWerr，其-0，w -w，Ktr为虚拟机械内轴的弹性系数，Ks为虚拟机械内轴的衰减系数，w为分区电机的输出角速度，0为分区电机的输出角位移，w'为角速度（虚拟总轴的输出角速度），0'为角位移（虚拟总轴的输出角位移）。

　　虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴的作用后，得到单元驱动器的信号，即输入角位移、输入角速度。也即单元驱动器的同步的是输入信号而非系统的输入信号。由于该信号是经过总轴作用后得到的、经过过滤后的信号，因此该信号更易为单元驱动器所跟踪，从而提高同步的性能。

　　各单元的机械部分的输入信号是电磁转矩Te，负载及扰动T1，输出为角速度W，Te-TL=J Xdw/dt.J为机械系统的转动惯量。电磁转矩Te是电流（力矩）调节器的输出。

　　与机械总轴类似，负载产生扰动时，一方面受扰单元的速度向减小该轴与其它轴之间速度差的方向变化；另一方面输入信号也发生变化，在此输入信号作用下，其它单元轴速度也向减小轴之间速度差的方向变化。这两方面的作用能使系统快速同步，故虚拟总轴系统具有机械总轴方式固有的同步特性。

　　虚拟总轴系统的虚拟机械部分采用软件实现，易于调节参数。通过调节参数可以避免发生谐振。当调节衰减参数改变系统阻尼系数，还可使系统具有较好的动态性能。这就克服了机械总轴系统容易发生谐振的弊端。

　　每个单元用独立的驱动电机驱动，其容量可比传统机械总轴方式的系统容量大得多。

　　系统具有“即插即用”性质。即通过简单的连线操作即可改变系统的拓扑结构，不像机械总轴那样需要添加或拆除机械部件。

　　通过电子线路连接，工作在虚拟总轴方式下的系统能在较大的范围内正常运行，理论上没有距离限制。

　　对虚拟总轴系统用Matlab进行仿真：对电机1在3秒的时候施加单位扰动，而电机2没受到任何扰动。力矩和速度的变化如圄3~圄6. f出力矩电机2的输出力矩由圄4可以看出当一台电机受到扰动时，另一台电机的速度也会相应地发生变化，使其差值变小，从而达到更好的同步效果。由于信号和没受扰电机的速度信号彼此接近，为了看出效果，在这两个信号的对比圄中，缩小了时间轴的范围，以便能清楚地看到它们的变化过程。由圄5、6可知，一台电机出现扰动时，各分区电动机的速度的直接给定，即信号也发生变化，正是这个信号的变化使没有受到扰动的电机的速度也跟着受扰电机的速度变化，这一点也是机械总轴系统之所以能同步的关键所在，而虚拟总轴系统复现了这一点。由圄5、6还可以看出，在系统发生扰动的瞬间，信号的大小介于受扰电机速度和没受扰电机速度之间，一段时间以后，没受扰电机的速度发生超调，此时信号的值大于所有电机的输出速度，然后各电机的输出速度在这个信号的作用下逐渐提升，最后达到受扰前的稳定状态。在整个过程中，系统状态发生变化时，各电机的速度没有很好地与整个系统的给定信号同步，但能与各电机的信号（该信号是系统给定信号经过虚拟总轴作用后输出的信号）很好地同步，但这并不妨碍系统的正常工作，因为系统的主要性能指标是各电机之间的同步，而不是电机与给定信号的同步。

　　3结论田福祥先进的电子总轴技术及其应用。青岛建筑工程学院学报，1990.熊光楞，肖田元，等。计算机仿真应用。北京：清华大学出版社，1988.以上对几种常见的多电机同步控制方案的阐述和比较，并得出虚拟总轴同步方式具有很好的综合性能的结论说明，虚拟总轴同步方式是一个具有前途的控制方案。