双电机驱动同步控制系统的研究进展与关键技术

2019-01-30

应用能源技术 2019年1期

(武汉科技大学，武汉 430081)

0 引言

伺服电机已广泛应用于机械制造的众多领域，当系统提出大功率需求时，因为单个电机的功率有限，往往需要采用双电机共同驱动来满足。由于标称参数相同的电机不一定具有相同的实际参数，对于相同的输入指令，两电机实际运动情况可能不同[1]，因此电机的同步精度成为了影响产品质量的关键所在。针对上述问题，国内外学者相继提出了同步控制的结构和算法。经过多年发展，已逐渐形成一套较为完备的双电机同步控制理论。

1 双电机同步控制结构

同步在狭义上指两电机的位置、速度和加速度等完全相同，即完全同步。广义则指位置、速度和加速度等保持一定的比例关系，即比例同步[2]。目前，实现双电机同步控制的结构主要有两种：机械同步结构和电子同步结构。机械同步结构使用一个主电机带动总轴，其他电机轴和总轴通过机械传动结构相连。当其中一个轴受到扰动时，主电机会收到反馈并作出相应变化。由于机械结构较复杂，容易发生磨损，因此加工精度易受影响。当输出参数化需要调整时要拆换传动装置，改变原有耦合关系，增加了生产成本[3]。因此，在双电机同步控制中，应用更为广泛的是电子同步结构。常见的电控结构有四种：并行控制，主从控制、虚拟主轴控制和交叉耦合控制。

1.1 并行控制

并行控制是一种非耦合控制，结构框图1如所示。采用并行结构时，系统相当于开环控制，如果其中一个电机受到外部扰动，则会产生不同步现象，无法满足高精度加工要求。

图1 并行控制结构图

1.2 主从控制

主从控制将某一轴作为主轴，另一轴作为从轴。由图2可以看出，从轴的速度能够跟随主轴变化，但主轴却无法接收从轴反馈的信号。由于从电机存在跟踪滞后现象[4]，主从控制只适用于同步精度不高的加工过程。

图2 主从控制结构示意图

1.3 虚拟主轴控制

虚拟主轴的概念由Lorenz和Meyer于1999年正式提出[5]。该结构使用虚拟主轴代替机械主轴，克服了机械主轴的缺点，但在负载停机、启动和突然发生变化时，容易产生同步误差[6]。

图3 虚拟主轴控制结构示意图

1.4 交叉耦合控制

Koren于1980年提出了交叉耦合同步控制结构[7]，它是在并行控制的基础上，加入一个补偿单元，将两轴速度差或位置差作为共享反馈信号。由于综合考虑了两轴的运动情况，同步性能大大提高。

图4 交叉耦合结构示意图

2 双电机同步控制算法

对于双电机驱动系统同步控制的策略，国内外学者主要提出了差电流负反馈控制和差速负反馈控制。差电流负反馈由日本FANUC株式会社提出，它在并行同步机构的基础上，将两伺服电机的实际电流或转矩指令的差分结果乘以一个变换系数，作为位置偏移量叠加到转矩滞后轴的位置指令中[8]。由于两电机的实际参数可能不同，因此电流一致不能保证两轴速度也一致。对此，陈庆伟等提出了差速负反馈控制策略。该策略保留主电机速度环，断开从电机速度环，将差速信号反馈至电流端，借助电流环的快速响应来抑制两轴速度同步误差[1]。

传统的PID控制能够提高单轴的跟踪能力，有效改善系统的同步性能，但是当同步偏差较大时易出现超调和反应滞后的现象，难以满足高精度加工的要求[8]。其他控制算法主要有自适应控制[9]、前馈控制、模糊控制、神经网络控制和滑模变控制等。在传统控制理论的基础上，产生了模糊PID控制、模糊滑模变补偿算法、基于广义预测的控制理论等补偿方法。经过理论分析和系统仿真，这些补偿方法能够显著提高电机的同步精度和性能。其中，积分分离的PID控制算法已应用于动梁式龙门数控机床[10]，其他部分方法也已成功应用于实践。