文章编号：1006－1576（2003）01－0020－05多电机同步传动控制系统分析吴其华，徐邦荃（华中科技大学控制科学与工程系，湖北武汉 430074）摘要：针对产品制造过程中多单元同步传动控制问题，在分析机械总轴同步控制和主令参考同步控制方案优缺点的基础上，提出了多电机同步传动调速系统的虚拟总轴控制方案。
该方案以虚拟总轴控制模拟机械总轴的机械性，既保留了机械总轴控制方式固有的同步特性，又具有主令参考同步控制方式中各单元间完全没有耦合，任一单元的扰动不会影响其它单元运动状态的优点。
虚拟总轴系统的由虚拟总轴、虚拟内轴以及机械单元等部分组成，虚拟机械部分采用软件实现。
由于输入信号经过总轴作用并过滤，易于单元驱动器跟踪。
Matlab仿真结果表明，该方案易于调节参数、动态性能好、系统容量大。
关键词：同步传动控制；虚拟总轴控制；机械总轴控制；主令参考控制中图分类号：TM921.48文献标识码：AAnalysis of Synchronized Control System for Multi-MotorWU Qi-hua, XU Bang-quan(Dept. Control Science & Technology, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China) Abstract: For the problems of synchronized drive control for multi-motor in processes making, based onthe advantage and shortcoming of mechanical line-shaft synchronized control and master reference controlwas analyze d, the scheme of virtual line-shaft synchronized control for multi-motor was presented. In the scheme, virtual-shaft control simulates the mechanical feature of mechanical line-shaft, and not only maintains the synchronization characteristic of mechanical line-shaft, but also has the feature of no coupling in different motor in master reference synchronized control, and an advantage is that disturbance of any motor will not affect the motion of other motor. The virtual line-shaft consists of virtual line-shaft, virtual in-shaft and mechanical unit, virtual m echanical is realized by software. The input signal of the system was filtrated through the line-shaft, and easy to be followed by the units. Matlab simulatio n result shows that this scheme is easy to modify parameters, and have the feature of better dynamic performance and higher system capacity.Key words:Synchronized drive control; Virtual-shaft control; Mechanical line-shaft control; Master reference control1 引言在造纸、纺织印染等多单元拖动应用中，由于产品柔软性很大，制造过程中如果承受的拉力过大则会使产品断裂、或产品过薄而不符合质量要求；如果拉力过小，则会使产品过厚，不仅不符合要求，还会造成资源浪费。
为此，要求多单元具有同步拖动控制功能，其方案有机械总轴同步控制和主令参考控制。
机械总轴同步控制使各个单元紧密耦合在一起，任一单元运动状态的变化都会通过机械扭矩的作用影响到其它单元的运行，使系统具有固有的同步特性，但传动的范围和距离不可能很大。
采用主令参考控制，各单元的相互距离不受限制，由于各单元松散地连在一起，使用时很灵活，但却失去了机械总轴同步控制所固有的同步特性。
如何即保留主令参考控制物理上松散连接的优点，又获得机械总轴同步控制中物理上紧密耦合时所具有的固有同步特收稿日期：2002－07－21；修回日期：2002－09－13 作者简介：吴其华（1978－），男，湖北人，华中科技大学在读硕士研究生，从事多电机同步控制研究。
性，是有待研究的课题。
2 多电机同步控制方案主令参考同步方式较机械总轴同步方式，由于失去了传统控制方式固有的同步特性，在同步要求较严的控制过程中，只能在特定的工作环境下才能正常工作，如当系统受扰很轻并且各单元的跟随性能相同时。
而虚拟总轴控制方式即保留了主令控制方式优点，又具有传统控制方式的固有同步特性，因此能广泛地应用于各种场合。
2.1 机械总轴同步控制方案传统的机械总轴同步方式由机械部件实现：一台大功率电机拖动一根机械总轴，所有的单元驱动器通过齿轮箱啮合在总轴上，共用相同的输入信号——机械总轴的旋转速度和累积角度。
当某个单元由于负载变化使其转速发生变化时，单元内的轴会产生相应的弹性扭矩，与其连接齿轮箱将这扭矩传递到机械总轴上，致使机械总轴的旋转速度随单元转速朝相同方向变化。
而机械总轴的旋转角速度也是所有单元的给定信号，因此其它的单元速度也会随受扰单元速度的变化而变化。
可见负载的扰动不仅使本单元的输出变化，也使每个单元的输出信号都向相同的方向变化。
正是由于这两方面的作用，负载的扰动所引起的失同步，在机械轴扭矩的作用下能很快回到同步的运行状态。
但这种方案有其许多不足。
① 用一个电动机拖动多个负载，由于电机容量有限，限制了每个负载分得的拖动功率，致使单元输出力矩受限，即限制了单元的负载。
②机械总轴易出现振荡现象。
机械总轴系统的粘性系数很小，故传递函数中的振荡环节极易出现共振现象（机械谐振）。
若谐振频率较低，会影响系统的稳定性。
在机械系统中，该阻尼系数无法调节，难以取得预想的动态性能。
③受机械总轴固有弹性的限制，机械总轴所能承受的最大输出力矩反比于总轴长度，正比于轴的截面积。
当生产工艺要求电机之间距离较远时，由于总轴较长，为了保证总轴能产生带动负载时所需的扭矩，就要求加大总轴的截面积，但这会增加成本。
④ 由于所有机械单元用机械部件（齿轮箱）连接在一起，结构相对固定。
当需要增加或减少单元时，必须增加或移去这些机械部件。
而频繁的单元变动会使系统的操作复杂化。
⑤ 总轴拖动的每一个单元都需要配备一个相应的齿轮箱，齿轮箱的加工及其润滑费用较高，而且齿轮箱的运动方程固定不变，不可编程。
当需要通过齿轮箱调节转速比时，只能更换齿轮，因而不灵活。
图1 主令参考同步控制方案2.2 主令参考控制方案图1是该方案的结构框图。
在这种方式下，系统的所有单元共享一个输入信号，即参考信号。
各单元之间完全没有耦合，任一单元的扰动不会影响其它单元的运动状态。
由于系统的输入信号（主令参考信号）直接作用到每个单元的驱动器上，因此每个单元获得一致的输入信号，不受其它因素影响，即任一单元的扰动不会影响其它单元的工作状态。
如果仅仅是主令参考信号的波动，此时各单元的同步主要靠各单元对主令信号的一致跟随。
但当某一单元发生扰动时，系统的同步就得不到保证。
该方式与机械总轴方式相比，主要是因为失去了单元之间的相互反馈环节，因而失去了机械总轴同步方式的固有同步特性。
但相对于机械同步方式，由于各单元单独地使用电机驱动，因而该方式具有大的输出功率。
可见，当各单元性能相似时，仅仅只有给定信号波动，而任何电机都不会受到扰动时，该方案能较好地实现同步。
而任何电机出现了扰动时，会严重影响系统的同步运行情况。
2.3 虚拟总轴控制方案虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固有同步特性。
随着虚拟总轴同步方式的提出，以上的问题得到了很大的改善，系统具有更好的动态性能。
虚拟总轴方式不仅具有主令同步方式的大容量特点，还保留了传统同步方式固有的同步特性，同时也使系统具有灵活的拓扑结构。
图2是该方案的结构框图。
图2 虚拟总轴同步控制方案该结构框图含虚拟总轴（包括总轴驱动器）、虚拟内轴以及机械单元负载。
由于它模拟的是机械部件，根据虎克定理为可推出机械轴扭矩为：T T＝K tr×θ，其中K tr为弹性系数，θ是角位移。
当考虑衰减系数时，机械扭矩还要加上机械衰减的作用，此时T T＝K tr×θ＋K s×ω，其中，K s为衰减系数，ω为角速度。
在虚拟总轴系统中的扭矩为T T＝K trθerr＋K sωｅｒｒ，其中θerr＝θ＊－θ，ωerr＝ω＊－ω，K tr为虚拟机械内轴的弹性系数，K s为虚拟机械内轴的衰减系数，ω为分区电机的输出角速度，θ为分区电机的输出角位移，ω＊为参考角速度（虚拟总轴的输出角速度），θ＊为参考角位移（虚拟总轴的输出角位移）。
虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴的作用后，得到单元驱动器的参考信号，即参考输入角位移、参考输入角速度。
也即单元驱动器的同步的是参考输入信号而非系统的输入信号。
由于该信号是经过总轴作用后得到的、经过过滤后的信号，因此该信号更易为单元驱动器所跟踪，从而提高同步的性能。
各单元的机械部分的输入信号是电磁转矩T e ，负载及扰动T 1，输出为角速度ω，T e －T L ＝J ×d ω／dt 。
J 为机械系统的转动惯量。
电磁转矩T e 是电流（力矩）调节器的输出。
综上，虚拟总轴同步系统具有如下优点。
① 与机械总轴类似，负载产生扰动时，一方面受扰单元的速度向减小该轴与其它轴之间速度差的方向变化；另一方面参考输入信号也发生变化，在此参考输入信号作用下，其它单元轴速度也向减小轴之间速度差的方向变化。
这两方面的作用能使系统快速同步，故虚拟总轴系统具有机械总轴方式固有的同步特性。