(武漢科技大學，武漢 430081)

0 引 言

伺服電機已廣泛應(yīng)用于機械制造的眾多領(lǐng)域，當系統(tǒng)提出大功率需求時，因為單個電機的功率有限，往往需要采用雙電機共同驅(qū)動來滿足。由于標稱參數(shù)相同的電機不一定具有相 同的實際參數(shù)，對于相同的輸入指令，兩電機實際運動情況可能不同[1]，因此電機的同步精度成為了影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在。針對上述問題，國內(nèi)外學者相繼提出了同步控制的結(jié)構(gòu)和算法。經(jīng)過多年發(fā)展，已逐漸形成一套較為完備的雙電機同步控制理論。

1 雙電機同步控制結(jié)構(gòu)

同步在狹義上指兩電機的位置、速度和加速度等完全相同，即完全同步。廣義則指位置、速度和加速度等保持一定的比例關(guān)系，即比例同步[2]。目前，實現(xiàn)雙電機同步控制的結(jié)構(gòu)主要有兩種：機械同步結(jié)構(gòu)和電子同步結(jié)構(gòu)。機械同步結(jié)構(gòu)使用一個主電機帶動總軸，其他電機軸和總軸通過機械傳動結(jié)構(gòu)相連。當其中一個軸受到擾動時，主電機會收到反饋并作出相應(yīng)變化。由于機械結(jié)構(gòu)較復雜，容易發(fā)生磨損，因此加工精度易受影響。當輸出參數(shù)化需要調(diào)整時要拆換傳動裝置，改變原有耦合關(guān)系，增加了生產(chǎn)成本[3]。因此，在雙電機同步控制中，應(yīng)用更為廣泛的是電子同步結(jié)構(gòu)。常見的電控結(jié)構(gòu)有四種：并行控制，主從控制、虛擬主軸控制和交叉耦合控制。

1.1 并行控制

并行控制是一種非耦合控制，結(jié)構(gòu)框圖1如所示。采用并行結(jié)構(gòu)時，系統(tǒng)相當于開環(huán)控制，如果其中一個電機受到外部擾動，則會產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，無法滿足高精度加工要求。

圖1 并行控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 主從控制

主從控制將某一軸作為主軸，另一軸作為從軸。由圖2可以看出，從軸的速度能夠跟隨主軸變化，但主軸卻無法接收從軸反饋的信號。由于從電機存在跟蹤滯后現(xiàn)象[4]，主從控制只適用于同步精度不高的加工過程。

圖2 主從控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 虛擬主軸控制

虛擬主軸的概念由Lorenz和Meyer于1999年正式提出[5]。該結(jié)構(gòu)使用虛擬主軸代替機械主軸，克服了機械主軸的缺點，但在負載停機、啟動和突然發(fā)生變化時，容易產(chǎn)生同步誤差[6]。

圖3 虛擬主軸控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 交叉耦合控制

Koren于1980年提出了交叉耦合同步控制結(jié)構(gòu)[7]，它是在并行控制的基礎(chǔ)上，加入一個補償單元，將兩軸速度差或位置差作為共享反饋信號。由于綜合考慮了兩軸的運動情況，同步性能大大提高。

圖4 交叉耦合結(jié)構(gòu)示意圖

2 雙電機同步控制算法

對于雙電機驅(qū)動系統(tǒng)同步控制的策略，國內(nèi)外學者主要提出了差電流負反饋控制和差速負反饋控制。差電流負反饋由日本FANUC株式會社提出，它在并行同步機構(gòu)的基礎(chǔ)上，將兩伺服電機的實際電流或轉(zhuǎn)矩指令的差分結(jié)果乘以一個變換系數(shù)，作為位置偏移量疊加到轉(zhuǎn)矩滯后軸的位置指令中[8]。由于兩電機的實際參數(shù)可能不同，因此電流一致不能保證兩軸速度也一致。對此，陳慶偉等提出了差速負反饋控制策略。該策略保留主電機速度環(huán)，斷開從電機速度環(huán)，將差速信號反饋至電流端，借助電流環(huán)的快速響應(yīng)來抑制兩軸速度同步誤差[1]。

傳統(tǒng)的PID控制能夠提高單軸的跟蹤能力，有效改善系統(tǒng)的同步性能，但是當同步偏差較大時易出現(xiàn)超調(diào)和反應(yīng)滯后的現(xiàn)象，難以滿足高精度加工的要求[8]。其他控制算法主要有自適應(yīng)控制[9]、前饋控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和滑模變控制等。在傳統(tǒng)控制理論的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了模糊PID控制、模糊滑模變補償算法、基于廣義預測的控制理論等補償方法。經(jīng)過理論分析和系統(tǒng)仿真，這些補償方法能夠顯著提高電機的同步精度和性能。其中，積分分離的PID控制算法已應(yīng)用于動梁式龍門數(shù)控機床[10]，其他部分方法也已成功應(yīng)用于實踐。

3 新型雙電機驅(qū)動同步控制系統(tǒng)設(shè)計

基于以上研究，現(xiàn)有的雙電機同步控制系統(tǒng)大多僅將電機位置或速度作為負反饋信號來建立單閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但是兩電機位置或速度的一致性不能保證負載速度的一致性。針對上述缺陷，文中提出了一種雙閉環(huán)同步控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件采用帶有旋轉(zhuǎn)編碼器的交流伺服電機，電機繞組與驅(qū)動器的輸出端連接，電機編碼器與驅(qū)動器的編碼器輸入接口連接。驅(qū)動器的CAN通訊接口與計算機的CAN卡連接；負載編碼器信號輸出與轉(zhuǎn)換器連接，轉(zhuǎn)換器輸出標準RS232與計算機相連。

圖5 新型同步系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用交叉耦合同步結(jié)構(gòu)，其中一環(huán)將電機的輸出信號反饋至驅(qū)動器，另一環(huán)將負載傳感器的采集信號反饋至計算機。各軸電機與負載之間構(gòu)成跟蹤偏差，兩軸輸出信號之間構(gòu)成同步偏差，如圖6所示。補償方法采用模糊PID控制，信號分析與處理均在計算機內(nèi)完成。

圖6 基于交叉耦合的雙閉環(huán)同步控制系統(tǒng)

4 結(jié)束語

雙電機同步控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于精密加工、紡織印染、生產(chǎn)輸送等各個領(lǐng)域，擁有廣闊的發(fā)展前景。國內(nèi)外對同步控制結(jié)構(gòu)和同步控制理論的研究逐步深入，成為指導生產(chǎn)實踐的有效方法。文中總結(jié)了現(xiàn)有控制方法的概念、原理和優(yōu)缺點，提出了一種基于交叉耦合的雙閉環(huán)同步控制系統(tǒng)。