双电机同步控制系统的设计与仿真

传统的电气控制系统多采用单一电机实现单轴控制，但是电机的输出转矩有一定的限制，当传动系统需要较大的驱动功率时，必须特制功率与之相匹配的驱动电机和驱动器，使得系统的成本上升，而且过大的输出功率的电机受到制造工艺和电机性能的影响，大功率的驱动器的研制也会受到半导体功率器件的限制。针对以上问题解决方法是采用多个电机对其进行控制，但是多电机之间同步的好坏直接影响到生产效率和产品质量，因此多电机同步控制的研究具有非常重要的现实意义。本文建立了基于双电机偏差耦合为基础的两种偏差控制算法的数学模型，即：对两电机之间的偏差采用模糊PID控制和常规PID控制，并用Matlab仿真软件对其进行了数字仿真。

1无刷直流电机双闭环控制系统模型

无刷直流电机双闭环控制系统框图如图1所示，它由电流环和速度环组成。在设计电流环和速度环时采用工程设计法进行设计。并且从内环开始，逐步向外环扩大，一环一环地进行设计。电流环的设计在稳态要求上，做到无静差以获得理想的堵转特性；在动态要求上，做到跟随电流给定，超调量越小越好，在本文中，选用典型I型系统对电流调节器进行无电流超调量设计。速度环的设计在稳态时要求无静差，在动态过程中保证它克服负载扰动的能力强，同时要求动态速降小，恢复时间短，从而要求速度环抗干扰性能越强越好，在这里把速度环设计成典型的II型系统。

图1速度电流双闭环调速系统的动态结构图

2双电机同步控制模型

2．1双电机同步控制策略

随着近年来工业的发展，需要控制两台及其两台以上电机。保持多电机的协调运转常用的两种方法：一种是机械方法，另一种是电方式。对于电方式的多台电机协调控制的研究主要是深入到速度和力矩的双重协调控制研究，它的研究成功将为军事、航空以及一般工业技术领域等需要统一动作功能的多电机提供协调控制技术。目前存在的同步控制技术包括并行控制，主从控制，交叉耦合控制，虚拟总轴控制，偏差耦合控制（如图2所示）等。

图2双电机同步系统偏差耦合控制结构图

采用并行控制，整个系统相当于开环控制，当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间将会产生同步偏差，同步性能很差。采用主从控制，任何从电机上受到的扰动不能反馈到主电机，也不会影响其他电机，当负载发生变化时，电机之间的同步精度不能够得到保证。交叉耦合控制对于双电机同步来说它等同于偏差耦合控制，但它不适合两个电机以上的电机同步控制。虚拟总轴控制系统在启动，负载发生扰动，停机的过程中，轴之间会产生不同步的现象，并且在主参考值和每个轴之间会保持一个恒定的偏差。偏差耦合控制能够克服其他几种控制策略存在的缺点，实现很好的同步性能。因此本文采用偏差耦合控制策略对双电机进行同步控制它。偏差耦合的主要思想是将某一台电机的速度反馈同其他电机的速度反馈分别作差，然后将得到的偏差相加作为该电机的速度补偿信号。

2．2偏差耦合PID控制系统

PID控制有很强的生命力，它对于大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性，而且算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析体系完整且应用经验丰富。因此针对系统中的抑制干扰特性这一方面的要求可以采用PID控制器。结合以上的电机

双电机同步控制系统的设计与仿真

杨晨娜张怡（中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018）Design and Simulation for Double－Motor Synchronous Control System

摘要

针对双电机同步控制问题，首先建立双电机同步控制系统的数学模型，在分析同步控制的各种控制方式和控制算法优缺点的基础上，提出了在偏差耦合控制方式下采用模糊PID控制算法对偏差进行调节的双电机同步控制方案，并与采用常规PID算法的进行了比较。仿真结果和实验表明，采用模糊PID控制算法的偏差耦合系统优于采用常规PID的系统。

关键词：双电机，同步控制，偏差耦合控制，模糊PID控制，PID控制

Abstract

For the problem of synchronous control for double－motor,built the math model of double－motor＇s synchronous control system,analyzed the advantage and shortcoming of all kinds of control ways and control arithmetic,based on the relative coupling control and used fuzzy PID to control the double－motor＇s relative,the scheme of synchronous control for double－motor was presented,and compared with normal PID＇s．The result shows that the system of relative coupling which adopt fuzzy PID is better than PID＇s．

Keywords:double－motor,synchronous control,relative coupling control,Fuzzy PID Controller,PID

controller

双电机同步控制系统的设计与仿真36

《工业控制计算机》2009年22卷第1期

双闭环控制模型和偏差耦合控制，对两台电机反馈回来的速度差作差，再进行PID 调节作为当负载有变化时的速度反馈额外补偿。补偿器的设定是电机1的偏差与电机2的偏差相减得到一个偏差值，进行PID 调节，在对偏差反馈给电机时，电机1是正反馈，而电机2是负反馈。

图3

双电机偏差耦合PID 控制系统结构图

2．3偏差耦合模糊PID 控制系统

当把图3中阴影PID 模块换成图4的模块时，双电机偏差耦合PID 控制系统就成了双电机偏差耦合模糊PID 控制系统。

模糊控制系统一般按系统偏差及偏差变化率来实现对工业过程的控制。这里的偏差和偏差变化率为两电机之间的速度差和速度差变化率。模糊PID 控制器的主要作用是根据设定值和实测值的偏差调节被控量的输入，从而调节电机转速在要求的误差范围内，它包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID 控制器等几个重要组成部分。DSP 根据两电机的之间的偏差以及当前的偏差变化，对其先进行量化，再根据模糊规则进行模糊推理，接着对模糊参数进行解模糊，输出PID 控制器的比例、积分、微分系数。此外，为了弥补一般模糊控制器分档造成的阶梯变化，系统中解模糊输出的并非控制器的实际参数，而是控制器参数的修正量，因此需要加比例、积分、微分修正系数，他们为图4中的kp3和ki3。

图4

模糊PI 控制器仿真结构图

3系统仿真和实验结果

在建立了基于偏差耦合控制方式两种不同控制算法的双电

机同步控制系统模型的基础上，本文利用Matlab 对它们进行了仿真。

针对以上两种系统进行了一系列仿真实验。本文采用

Maxon 公司生产的EC40型号为118895的无刷直流电机在空载时进行仿真，其参数为：额定电压U＝30V ，额定电流I＝5．24A ，额定功率P＝120W ，相电阻R＝0．518Ω，相电感L＝0．132mH ，转矩常数K m ＝24．6mNm ／A ，电磁时间常数T L ＝0．255ms ，机械时间常数T m ＝7．3ms ，速度常数1／C e ＝389rpm ／V ，电流反馈系数β＝5．73V ／A ，速度反馈系数α＝1／389Vmpr ，电流滤波时间常数T oi ＝0．314ms ，转速滤波时间常数T on ＝6．28ms ，脉宽调制器和PWM 变换器的放大系数K s ＝1，脉宽调制器和PWM 变换器的开关周期Ts＝12．5μs 。所给速度为1000rpm ，在0．2s 时突给第一台电机加2A 电流相当于49．2mNm 的阶跃扰动，图5中a 为采用偏差耦合PID 控制时的两台电机速度响应曲线，图5中b 为采用偏差耦合模糊PID 控制时的两台电机速度响应曲线。

图5两种系统不同控制算法的仿真效果

比较两种仿真结果可以看到，采用偏差耦合模糊PID 控制方法时，系统的同步性能、抗干扰性能优于采用偏差耦合PID 控制方法时的性能。

有了上述的仿真的结果，在已建立的实验平台上，研究两台无刷直流电机在空载的情况下，对第一台电机突加49．2mNm 负载扰动，分别采用常规PID 补偿器和模糊PID 补偿器时对两

台电机进行伺服同步控制。

图6中a 为两电机速度偏差采用常规PID 时两台电机速度响应曲线，图6中b 为两电机速度偏差采用模糊PID 时两台电机速度响应曲线。

图6两种系统不同控制算法的实验效果

从图6的两个图形中进行对比可知，两电机的速度偏差采用模糊PID 算法时要比采用常规PID 算法时获得更好的同步控制精度，增强系统的抗干扰性。

4结束语

本文系统基于偏差耦合控制方式，采用模糊PID 控制原理，

并结合工程设计方法。经过对仿真和实验结果图形的分析比较，得

知采用基于偏差耦合的模糊PID 控制的系统比采用常规PID 控制的系统具有更高的同步精度，提高了电机的跟随性能，增强了系统的鲁棒性，并且兼顾了系统响应的快速性和稳定性的要求。

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