馬 捷,韓 迪,邊黨偉,胡 鑫

(1.西北機電工程研究所, 陜西 咸陽 712000；2.西北工業(yè)大學 自動化學院, 陜西 西安 710029)

交流永磁電機因其具有結構簡單、運行可靠、體積小和質量小等顯著優(yōu)點成為目前研究的熱點，尤其是在火炮隨動系統(tǒng)方面，有很好的應用前景。隨著彈炮結合、自行高炮武器系統(tǒng)及壓制火炮的發(fā)展，對隨動驅動系統(tǒng)提出了更大功率和大慣量的需求。由于現(xiàn)代火炮結構緊湊型設計，單個電機隨著功率的增大，體積也變得很大，不符合緊湊型的火炮結構設計，并且安裝困難，受技術條件的限制，必須采取多電機聯(lián)動才能滿足功率和緊湊型火炮結構的要求。

多電機火炮驅動系統(tǒng)主要用于驅動火炮炮塔運動，為此必須進行同步控制，同步性能受驅動性能不匹配、負載擾動等諸多因素的影響。因此，實現(xiàn)多電機驅動系統(tǒng)的同步運行和具有高的同步性能成為研究的熱點，筆者主要研究多電機驅動同步技術[1]。

1 多電機驅動系統(tǒng)組成和原理

采用三電機并聯(lián)驅動的控制方式，使3臺電機具有相同的運行速度，即驅動系統(tǒng)不僅能在勻速運轉時達到同步，而且在加、減速的動態(tài)過程中，電機也能同步運行。而對于2臺完全相同的電機，則對于相同的驅動信號，其輸出速度必然相同。據(jù)此原理，設計了如圖1所示的三電機驅動系統(tǒng)控制模型[2]。

從圖1可以看出，多電機交流驅動系統(tǒng)包括3臺永磁同步電機。主電機驅動包括速度環(huán)和電流環(huán)，從電機驅動只包括電流環(huán)，且接收主電機的轉矩輸入，而無速度反饋，這樣就保證了3臺電機得到的轉矩主令相同，都是按照主電機的運動方式來運行，理論上實現(xiàn)同步驅動。

2 三電機并聯(lián)驅動系統(tǒng)設計

2.1 結構設計

三電機驅動系統(tǒng)同步控制要求電機輸出同樣的力和轉速，這樣才能夠起到同步驅動炮塔的作用。由于是3臺電機，結構上驅動齒輪分別相差120°，裝在座圈周圍[3]，如圖2所示。

這樣設計的原則是讓負載的力矩盡可能平分在3個電機軸上，盡量降低負載力矩不均等對三電機同步驅動的影響。

2.2 速度環(huán)控制器設計

三電機同步聯(lián)動控制系統(tǒng)相對于普通的伺服系統(tǒng)來說，面對的最主要問題就是三電機速度同步的問題。筆者將3臺電機的電流環(huán)指令信號并聯(lián),將主電機的速度環(huán)保留,從電機的速度環(huán)斷開，保證了3臺電機接受的驅動信號完全一致，從而實現(xiàn)三電機同步，為了使三電機具有較高的調速性能，通過調整速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)對電機的調速性能進行調整。這要求速度環(huán)具有較高的調速性能和抗擾動性，設計的分段PID控制器如圖3所示。

2.3 電流環(huán)設計

利用id=0矢量控制，如圖4所示，d、q為同步旋轉坐標系，D、Q為靜止軸系。在電流環(huán)中利用park變換，park反變換，calark變換，calark反變換，對電流進行2-3-2矢量變換，控制id、iq就可以控制電機三相電流，控制方法簡單易于實現(xiàn)，控制性能好[4]。

2.4 差速反饋控制設計

在理想情況下,若2臺電機完全相同,則對于相同的指令信號,其輸出速度必然相同，然而由于電機等元器件存在離散性,即使是標稱參數(shù)相同的元器件，其實際參數(shù)也不可能完全一致,而且作用在電機上的力矩也不可能完全相同，主電機由于具有速度環(huán)，轉速對于負載變化具有魯棒性，而對于沒有速度環(huán)的兩臺從電機負載變化會影響轉速，因此必須通過一定的控制手段解決多電機同步聯(lián)動的問題。

檢驗同步聯(lián)動效果必須以速度是否同步為依據(jù)。這里采用了一種差速負反饋的同步聯(lián)動控制方案。不失一般性，以雙電機同步系統(tǒng)為例,如圖5，任取其中一個電機作為主電機,保留其速度環(huán),另一個為從電機,斷開其速度環(huán)，對每個驅動器而言，輸入的電流指令是基本電流給定信號和差速反饋信號線性疊加之后的復合信號。其中兩個驅動器的差速負反饋信號大小相等，極性相反[5-6]。

在動態(tài)過程中,若2臺電機速度不同步,速差經(jīng)過線性放大之后分別反饋到兩電機的電流給定端作為輔助輸入，由于電流環(huán)的響應要比速度環(huán)的響應快得多,所以將差速信號引至電流給定處能盡快地抑制兩電機轉速的不同步，當電機1的速度大于電機2時，電機1的接收驅動主令就會減小，而驅動器2的驅動主令就會增加,這樣就會控制兩電機的速度同步[7]。

根據(jù)兩電極差速反饋原理，研究三電機的同步運行問題，三電機差速反饋控制原理框圖如圖6所示。

3臺電機兩兩之間進行轉速求差,分別與速度調節(jié)器輸出合成送給3個驅動器。為了保證三電機電機運轉同步，其3個比例系數(shù)(K1,K2,K3)需要分別進行調整，從而使電機較好的同步。研究發(fā)現(xiàn)，差速反饋系數(shù)決定著同步性能的好壞，當比例系數(shù)太小，3臺電機的同步效果不好；當比例系數(shù)取值過大，則可能引起并聯(lián)驅動系統(tǒng)不穩(wěn)定。而且，由于各電機之間是兩兩之間取差，每個比例系數(shù)都會影響到3臺電機的運行。

3 三電機驅動系統(tǒng)仿真

采用Matlab/Simulink建立系統(tǒng)模型，仿真參數(shù)如下：3臺永磁同步電機參數(shù)相同，電機電阻R=6.6 mΩ,直軸電感Ld=0.734 mL,交軸電感Lq=1.74 mH,永磁體磁鏈ψf=0.192 Wb,極對數(shù)p=3,轉動慣量J=0.16 kg·m2，額定轉速5 000 r/min，逆變器輸入電壓320 V。由于在仿真情況下，3臺電機參數(shù)是完全相同的，通過模擬加載在電機軸上的力矩不同來模擬實際中情況。仿真結果如圖7和圖8所示。

上述仿真可以看到,當電機上負載力矩完全相同時，3臺電機能夠實現(xiàn)同步控制，但是在3臺電機負載力矩各不相同時，圖8顯示，沒有速度環(huán)的電機2和電機3，轉速出現(xiàn)很大偏差，無法實現(xiàn)同步控制。

為了解決此問題，加入差速反饋控制進行仿真，條件為在0.3 s時刻，分別給主電機加載大小互不相同的轉矩，仿真結果如圖9～圖12所示。

從以上的仿真對比看出，筆者設計的三電機驅動系統(tǒng)同步控制模型能夠實現(xiàn)多電機的同步聯(lián)動，當三電機上負載力矩不同時，利用差速反饋控制可以很好地解決電機不同步的問題。

4 結 論

本文建立了三電機驅動系統(tǒng)同步控制模型，提出了一種主從結構模式，保留主電機的速度環(huán)，利用主電機的速度環(huán)輸出分別作為3臺電機的輸入，這保證了3臺電機接收的轉矩主令是相同的，但由于2臺從電機沒有速度環(huán)，機械特性較軟，當加載其上的負載與主電機不同時，很難實現(xiàn)同步。基于此問題，筆者提出的三電機差速反饋控制技術，仿真結果表明，該技術解決了3臺電機受負載力矩不同時轉速不同的問題，并具有較高的精度，具有工程實用價值。

[1] 陳慶偉,郭毓,楊非,等.雙電機同步聯(lián)動控制系統(tǒng)[J].南京理工大學學報,2005,29(10):103-107.

CHEN Qing-wei,GUO Yu,YANG Fei,et al.Double control motor synchronizing drive control system[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology 2005,29(10):103-107.(in Chinese)

[2] 楊非.多電機同步聯(lián)動控制系統(tǒng)的設計與分析[D].南京:南京理工大學,2005.

YANG Fei.Design and analysis of multimotor synchronized control system[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2005.(in Chinese)

[3] 陳慶偉,郭毓,胡維禮.多電機同步聯(lián)動系統(tǒng)的動力學分析[J].東南大學學報,2004,34(11):135-140.

CHEN Qing-wei,GUO Yu,HU Wei-li.Dynamics analysis and modeling of multimotor synchronized driving system[J].Journal of Southeast University, 2004，34(11):135-140.(in Chinese)

[4] 王成元,夏家寬,孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術[M].北京,機械工業(yè)出版社,2009:117-119.

WANG Cheng-yuan,XIA Jia-kuan,SUN Yi-biao.Mo-dern motor control technology[M].Beijing:China Machine Press,2009:117-119.(in Chinese).

[5] 趙海波.雙電機驅動伺服系統(tǒng)的控制與仿真研究[J].計算機仿真,2012(3):262-265.

ZHAO Hai-bo.Study on control and simulation of dual-motor driving servo system[J].Computer Simulation, 2012(3):262-265.(in Chinese).

[6] 趙海波,周向紅.雙電機驅動伺服系統(tǒng)的反步控制[J] .計算機工程與應用,2012(10):242-245.

ZHAO Hai-bo,ZHOU Xiang-hong.Backstepping control of dual-motor driving servo system[J],Computer Engineering and Applications，2012(10):242-245. (in Chinese)

[7] 周超.半筒焊接進給工作臺伺服控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007.

ZHOU Chao.Study on servo control system of half-canister jointing step-supply worktable[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007.(in Chinese)