多电动机同步控制的结构优化

多电动机同步控制的形式较多，主要有并行控制、主从控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制、电子虚拟主轴控制等。

（一） 并行控制

并行控制是一种最原始的同步控制方式，系统所有电动机单元共享一个输入信号，各个单元由各自独立的电动机驱动。这种控制办法侧重于控制实际速度和理论速度的误差，不太注重于不同电动机间的误差情况。由于各个单元之间没有耦合关系，当其中某一个单元受到扰动时，其他单元不会做出相同变化，各轴的同步性也就得不到保证。图11-1 为双电动机主令控制系统结构框图，两个电动机并联在一起，接收系统发送的同一控制信号。

图11-1　并行控制结构图

并行控制方式的优点是系统结构简单，多电动机在停止、起动阶段具有良好的同步性，这是并行控制策略的优势。缺点是整个系统处于开环控制中，如果系统一旦受到外界因外界因素干扰，容易降低其同步性能，不能有效保证电动机的同步控制性能，影响电动机的运行质量和效率。

（二） 主从控制

主从控制的结构框图如图11-2 所示，各从属轴以主轴的输出信号作为其输入参考信号，再按照一定的传动关系跟随主轴同步运行，稳态时能够获得良好的同步性能。在动态过程中，主电动机接收到速度或位置命令，或受到负载扰动或者速度发生突变时，从轴可以实时跟随主轴变化，从而满足多轴同步运动的要求。然而，当从轴出现负载扰动或速度突变时，由于主轴不能接收到从轴的反馈信息，造成两台电动机不同步的现象，无法达到系统的精度要求。一般情况下，应该选择系统中控制性能最差的那根轴作为主轴，其他各电动机的精度能够得到保证的前提下，就可保证整个系统的同步性。主从同步控制方式通常多适用于同步系统中各独立系统的控制目标基本一致的情况。

图11-2　主从控制结构图

（三） 交叉耦合控制

交叉耦合控制是将两台电动机的速度或位置进行比较，并将得到的差值作为附加的反馈信号，然后用这个反馈信号作为跟踪信号，从而满足同步控制的精度要求。交叉耦合控制系统如图11-3 所示，在主令同步结构上增加了转速反馈和转速差补偿，从而形成闭环系统。运行时转速补偿模块通过检测两台电动机之间存在的转速差，实现对每台电动机转速的调整，因此系统有着较高的同步性能。

图11-3　交叉耦合同步控制结构图

系统根据相邻两个电动机的转速反馈差值对两个电动机转速进行相应的补偿，以减小同步误差。当电动机转速因负载扰动或环境因素干扰而产生波动时，系统能较快地消除转速差，因此交叉耦合控制方式的抗干扰能力较强。缺点是当控制的电动机数量超过两台时，转速补偿计算量变大且效果较差，因此交叉耦合控制方式不适合两台以上电动机同步控制的场合。

（四） 偏差耦合控制

对交叉耦合控制方式进行一些改进，便可以得到偏差耦合控制方式，图11-4 是以3 台电动机为例的偏差耦合控制结构。改进后，根据各电动机的工作状态，系统可以动态地进行速度补偿，补偿信号由各电动机速度反馈的差值乘以一个反馈增益（由系统中各电动机转动惯量的差异确定）所得。

图11-4　偏差耦合控制结构图

由图11-4 可以看出，系统中每个电动机的速度补偿信号是由偏差耦合控制的核心——速度反馈模块提供的，该模块可以消除过渡阶段或负载扰动引起的电动机间的速度差，其结构如图11-5 所示。(www.xing528.com)

第一台电动机速度补偿器的输出为：

式中：K12，K13为速度反馈增益，可以补偿各电动机转动惯量的差异。其值分别为：

图11-5　第一台电动机速度补偿器结构图

式中：J1、J2、J3分别为第1、第2、第3 台电动机的转动惯量。

采用偏差耦合控制的系统，当负载扰动等因素引起其中任意一台电动机速度波动时，系统中其他电动机也会收到该波动信息，从而做出调整，因此，整个系统的同步性能良好。同理，系统在起停阶段也具有良好的同步性能。偏差耦合控制方式的缺点是，其他电动机的跟随误差以及互相之间的速度不同步信息，都没有反馈给所控制的电动机。当其他电动机出现较大的跟随误差时，所控制的电动机消除该误差的速度会比较慢，造成整个系统同步性能的下降。

（五） 电子虚拟总轴控制

电子虚拟总轴ELS（Electronic Line Shafting）控制模拟了传统机械总轴的物理特性。机械总轴传动系统以一台功率较大的电动机拖动一根长轴，其他各分电动机则通过齿轮箱连接在这根总轴上，机械长轴为各个独立的伺服驱动单元提供动力源，带动各个分区单元的传动元件运行。在机械总轴同步控制系统中，各个分区单元都是紧密耦合在一起的，当任意一个分区单元运动状态的变化都会通过机械扭转力矩的作用反馈给机械总轴，从而影响其他分区单元的运行，这种方式机械结构稳定，同步性能较好，受控制和其他因素影响较小。然而在机械总轴传动系统中，各联结装置的阻尼系数、弹性系数、衰减系数等参数完全取决于机械轴本身，不容易更改，其传动范围和距离也不可能很大。而ELS 控制策略则是以虚拟的电子总轴取代机械长轴起主导作用，各个轴跟随该虚拟主导轴运动，并通过转矩的综合和反馈实现各个轴与电子总轴的耦合，因而具有机械总轴控制方式所固有的同步性能。

ELS 控制系统中，调节衰减参数可改变系统阻尼系数，还可以使系统具有较好的动态性能。每个分区单元采用独立的伺服电动机驱动，通过简单的线路连接即可改变系统的拓扑结构，使系统具有“即插即用”的特性，不像机械总轴那样需要添加或拆除机械部分，所以具有较大的灵活性。ELS 控制系统的信号经过虚拟总轴的作用之后，才得到各单元的参考信号，即各单元控制器同步的是参考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、过滤之后的信号，因此更容易为单元控制器所跟踪，从而提高了同步性能。ELS 控制结构如图11-6 所示。

图11-6　ELS 控制结构图

由图11-6 可知，虚拟的电子总轴是单一的速度调节或位置调节，它为从属轴提供速度或位置的参考值。稳态时，各个轴跟随电子总轴，能够达到很好的同步效果。当某一轴或多轴受到干扰而偏离参考值时，通过转矩的综合和反馈，使电子轴感受这种变动，从而迫使其他轴跟随这种变动，实现了在瞬态时各个轴之间的同步。力矩平衡关系式为：

式中：T 为虚拟总轴的驱动力矩；Jm为虚拟总轴的转动惯量；θm为虚拟总轴的输出角位移；Ti（i＝1，2，…，n）为各个运动轴反馈的耦合力矩即虚拟负载力矩，其力矩耦合的模型为：

式中：br为阻尼增益；kr为刚度增益；kir为刚度积分增益；Δω 为速度差；Δθ 为位置误差。

电子虚拟总轴控制系统在起、停阶段或单电动机出现负载扰动时，各轴和参考值之间有偏差，各轴间会出现失调的情况，虚拟主轴的转动惯量也不易确定。