多电机驱动振动机械同步理论的研究

张艺超

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460）

0 引言

所谓“同步”属于一种客观且特殊的运动形式，它广泛存在于自然环境与人类社会场域。从物理形态维度分析，同步现象可以视为两个及以上物体、系统保持稳定的相同或相似运动形式，如两个质点保持相同匀速、同向运动，或者两个物体呈现出相同的运动轨迹、相位等。基于同步现象的普遍性与自然科学技术的发展，人们在不同领域都发现了同步问题，诸如医学、生物学、化学、经济学等，“同步”这一概念也从自然科学领域拓展到哲学社会科学领域，关于同步理论的研究也进一步深入，从最早的“钟摆同步”延伸到“混沌同步”层次。聚焦振动机械领域，同步理论被广泛的引用在工业生产（系统）中，但要求相对简单，通常侧重于两个及以上的子系统（机械部件）能够保持同步运转——多电机驱动就是一个典型。其本质是要求多台电机保持相同速度、相位，诸如振动冷却机、振动桩机、振动筛、振动传输机等设备。为了实现振动机械整体运行的稳定统一，“同步状态”是一个重要的前提条件，在未引入同步理论之前，为了实现多电机驱动下的同步运转，所采用的手段主要是机械控制，如利用速度比1∶1的齿轮实现带有偏心的激振器同步运动，虽然可以一定程度上满足生产需要，但此类机械的设计、操作、管理等非常复杂，同步理论指导实践运用的价值，主要体现在精简振动机械结构、提高系统稳定性、降低维护成本等。从现状看，振动机械领域的同步问题研究已经相当全面，主要缺陷仍然集中在“自同步理论”方面，在多电机驱动工作状态下，仍存在一些尚未有效解决及解释的问题，比如两台电机工作时受到外界力量干预，在不停机的状态下如何从差异性转速、位移恢复到统一性转速、位移状态，又如多电机中一台停机后再次启动，如何与正在运转的电机仍然保持同步，本文以此为切入点展开探究[1]。

1 多电机驱动振动机械同步理论概述

根据多电机驱动振动机械“不同步”的现象区分，同步理论主要包括两个研究维度，分别是“同向回转自同步振动机械的同步理论”和“反向回转自同步振动机械的同步理论”。为了便于阐述振动机械同步理论内涵，本文以双电机驱动筛选系统为例，无论是同向回转或是反向回转，用于阐述理论的模型都可以简化为“弹簧—质量”系统，仅考虑平面坐标系（x，y）的振动方程及绕质心O的扭摆方程即可——假定振动质体（宏观质点）为M，则需要分别明确M的惯性力、阻尼力（运动中）、弹性力和激振力。

振动方程：

扭摆方程：

以上公式及方程中：M为振动机体质量；2m0为两偏心块质量和（m0为偏心块质量）；J为振动机体对质心的转动惯量；2J0为两偏心快对机体质心的总转动惯量；J1和J2分别为轴系1、轴系2转换到轴1、轴2的转动惯量；l0为转轴1、转轴2到机体中心的距离；c1、c2为电动机1、电动机2换算到轴1、轴2的力矩系数；r为偏心距；ψ0为电动机换算到轴1、轴2的同步转速；f为阻力系数；k为弹簧刚度。为轴1偏心块角位移、角速度、角加速度；为轴2偏心块角位移、角速度、角加速度；为y的方向位移、速度、加速度；为x的方向位移、速度、加速度；为φ方向的位移、速度、加速度；Mf1、Mf2分别为轴1、轴2上的摩擦力矩。

本文选用的双电机驱动机体状态下，同向回转同步与反向回转同步的稳态解通过微分方程建立，综合以上（1）～（6）表达式，其中同向回转、反向回转同步振动系统微分方程（略去一阶微量）稳态解为：

以上为多电机驱动振动机械同步理论的数学解释方式，受篇幅限制，不再具体探讨求解及正向、反向自同步振动系统特性分析。

2 自同步振动机械动响应的实证分析

选用ZZS40-70型振动筛展开自同步振动机械动响应的实证分析，该设备内包括两台VB-326-WB电机驱动（带有偏心块），机体主要部分由弹簧、支架、筛体和各类连接器构成，如图1所示。

图1 ZZS40-70型振动筛（直线）

实证分析过程需要运用B&K振动测试分析系统，分别在振动筛机体的相邻位置分布加速传感器，水平、垂直方向各一个，用来测试主振动方向y、水平方向x'、两电机驱动轴心连线x、垂直方向y'的加速度信号；矢量合成信号表达为如下：

在此基础上对采样频率进行调整，依次调节电源输出电压50V、75V、100V，测量加速度信号的变化。

根据测试结果分析，ZZS40-70型振动筛机体的驱动电机为机体质心位于两轴心联线中心时，同步现象较为明显，而在两电机处于反向稳态回转时，y方向的直线运动保持良好，而在x方向没有发生同步振动，仍然需要进一步分析并调整；进入这一阶段后，将数据导入模拟试验台，通过调节偏心块的夹角大小，促使激振力大小、幅度符合同步振动需要。研究结果认为，双电机驱动的振动设备的机械系统要求很高，即便设备机体中所使用的电机是同一型号、同一规格，也可能存在转速、摩擦阻力距等不同的现象，因此，除了考虑电机产品性能之外，还要为两台电机提供高度一致的工作环境，如水平高度的一致性、支架的稳定性等[2-4]。

3 多电机驱动振动机械同步智能控制

由双电机驱动推导多电机驱动振动机械同步稳态，不难得出这样的结论，后者设备机体中独立旋转的振动电机要保持同步更加困难，且在大多数情况下，是无法通过协调电机物理环境及设备状态达到自同步条件的。而传统的控制理论中，主要运用PID控制方法来实现自同步，具体到控制系统设计上，一般在电机1上安装控制器、变频调速器，再连接电机2至N，N＞1的电机设备都要安装传感器，将综合信号传输到控制器前端，而整个机械系统的末端为筛体。传统控制思想并不复杂，但要在硬件上实现的难度很大，突出表现是完整设备机体的体积大、占地多、安装不便，且无法做到快速、便捷的维修调试。随着工业信息化水平的不断进步，多电机驱动振动机械同步智能控制被提出来。

在该控制机制中，硬件模块的设计主要基于单片机的转速测量系统、电机转速测量系统、同步控制器电路等实现，其中最为关键的就是单片机的转速测量系统，它解决了传统控制同步系统中仪表多、组合复杂的困境。同时，单片机在现代工业控制系统中应用非常广泛，便于展开振动机械同步智能控制的非标化生产，其功能也拓展到了适应控制、数据采集、嵌入处理等方面；从硬件架构上分析，单片机转速测量系统主要包括系统扩展和系统配置两个模块，在系统扩展模块中加入转速信号拾取装置、整型装置、倍频装置等，即可实现信号的有效处理，而系统配置模块主要包括I/O口及通用外设。

而软件模块的设计相对复杂，从成本考虑，基于PID控制器的设计在市场上更为流行，且自身又具有简单控制结构优势，特别是应用在双电机驱动振动机械机体时，其算法简单、可靠性高的优势非常明显。在软件设计原则上，遵循模糊控制算法策略，而所谓“智能控制”，也主要体现为人类自然语言与机器语言的“模糊表达”，帮助机器学习常规规则及操作经验。其中核心设计为“模糊规则”，用于指导模糊推理的实现，整个模糊控制系统中最关键的模块为“模糊化”和“解模糊”的正逆处理机制。例如，基于“模糊化—模糊推理（模糊原则）—解模糊”完整流程中，首先由振动机械机体提供一个变量，在处理变量时可乘以一个达到稳态解（7）的比例因子，从而实现输入量化。相对应的，解模糊的过程中，也需要输入一个比例因子量化，所得到的输出变量实际上作为调整多电机驱动不同步状态的参数。由此不难看出，振动机械运转的时间越长，所积累的比例因子量化值就越多，对同步稳态的控制有效性就越高，这就是当前许多振动器在开机时噪音较大，而随着运转时间增加逐渐进入平稳状态的原因[5]。

4 结束语

综上所述，多电机驱动振动机械同步理论对于现代工业的发展具有重要影响，本文通过探索自同步振动筛实例表现，并结合仿真手段提出同步控制机制，具有一定的现实意义。其中，关于智能同步控制的关键在于硬件、软件设计的匹配性，现阶段来看工业设备中硬件发展速度要大于软件更新速度，所谓的智能控制对于模糊控制理论的依赖度较高，而这一结论在双电机驱动的振动机械质体中效果较好，但无法确保随着电机数量增加同样实现有效的同步稳态，所以仍然需要加强人工智能技术在该领域的探索。