多電機同步傳動控制系統(tǒng)分析
發(fā)布日期：2020/4/20點擊次數(shù)：1409
在造紙、紡織印染等多單元拖動應用中，由于產(chǎn)品柔軟性很大，制造過程中如果承受的拉力過大則會使產(chǎn)品斷裂、或產(chǎn)品過薄而不符合質(zhì)量要求；如果拉力過小，則會使產(chǎn)品過厚，不僅不符合要求，還會造成資源浪費。為此，要求多單元具有同步拖動控制功能，其方案有機械總軸同步控制和主令控制。機械總軸同步控制使各個單元緊密耦合在一起，任一單元運動狀態(tài)的變化都會通過機械扭矩的作用影響到其它單元的運行，使系統(tǒng)具有固有的同步特性，但傳動的范圍和距離不可能很大。采用主令控制，各單元的相互距離不受限制，由于各單元松散地連在一起，使用時很靈活，但卻失去了機械總軸同步控制所固有的同步特性。如何即保留主令控制物理上松散連接的優(yōu)點，又獲得機械總軸同步控制中物理上緊密耦合時所具有的固有同步特性，是有待研究的課題。
2多電機同步控制方案主令同步方式較機械總軸同步方式，由于失去了傳統(tǒng)控制方式固有的同步特性，在同步要求較嚴的控制過程中，只能在特定的工作環(huán)境下才能正常工作，如當系統(tǒng)受擾很輕并且各單元的跟隨性能相同時。而虛擬總軸控制方式即保留了主令控制方式優(yōu)點，又具有傳統(tǒng)控制方式的固有同步特性，因此能廣泛地應用于各種場合。
2.1機械總軸同步控制方案傳統(tǒng)的機械總軸同步方式由機械部件實現(xiàn)：一臺大功率電機拖動一根機械總軸，所有的單元驅(qū)動器通過齒輪箱嚙合在總軸上，共用相同的輸入信號一一機械總軸的旋轉(zhuǎn)速度和累積角度。當某個單元由于負載變化使其轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，單元內(nèi)的軸會產(chǎn)生相應的彈性扭矩，與其連接齒輪箱將這扭矩傳遞到機械總軸上，致使機械總軸的旋轉(zhuǎn)速度隨單元轉(zhuǎn)速朝相同方向變化。而機械總軸的旋轉(zhuǎn)角速度也是所有單元的給定信號，因此其它的單元速度也會隨受擾單元速度的變化而變化？梢娯撦d的擾動不僅使本單元的輸出變化，也使每個單元的輸出信號都向相同的方向變化。正是由于這兩方面的作用，負載的擾動所引起的失同步，在機械軸扭矩的作用下能很快回到同步的運行狀態(tài)。但這種方案有其許多不足。
用一個電動機拖動多個負載，由于電機容量有限，限制了每個負載分得的拖動功率，致使單元輸出力矩受限，即限制了單元的負載。
機械總軸易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。機械總軸系統(tǒng)的粘性系數(shù)很小，故傳遞函數(shù)中的振蕩環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)共振現(xiàn)象（機械諧振）。若諧振頻率較低，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在機械系統(tǒng)中，該阻尼系數(shù)無法調(diào)節(jié)，難以取得預想的動態(tài)性能。
受機械總軸固有彈性的限制，機械總軸所能承受的****輸出力矩反比于總軸長度，正比于軸的截面積。當生產(chǎn)工藝要求電機之間距離較遠時，由于總軸較長，為了保證總軸能產(chǎn)生帶動負載時所需的扭矩，就要求加大總軸的截面積，但這會增加成本。
由于所有機械單元用機械部件（齒輪箱）連接在一起，結(jié)構(gòu)相對固定。當需要增加或減少單元時，必須增加或移去這些機械部件。而頻繁的單元變動會使系統(tǒng)的操作復雜化。
總軸拖動的每一個單元都需要配備一個相應的齒輪箱，齒輪箱的加工及其潤滑費用較高，而且齒輪箱的運動方程固定不變，不可編程。
當需要通過齒輪箱調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比時，只能更換齒輪，因而不靈活。
2.2主令控制方案圄1是該方案的結(jié)構(gòu)框圄。在這種方式下，系統(tǒng)的所有單元共享一個輸入信號，即信號。各單元之間芫全沒有耦合，任一單元的擾動不會影響其它單元的運動狀態(tài)。由于系統(tǒng)的輸入信號（主令信號）直接作用到每個單元的驅(qū)動器上，因此每個單元獲得一致的輸入信號，不受其它因素影響，即任一單元的擾動不會影響其它單元的工作狀態(tài)。如果僅僅是主令信號的波動，此時各單元的同步主要靠各單元對主令信號的一致跟隨。但當某一單元發(fā)生擾動時，系統(tǒng)的同步就得不到保證。該方式與機械總軸方式相比，主要是因為失去了單元之間的相互反饋環(huán)節(jié)，因而失去了機械總軸同步方式的固有同步特性。但相對于機械同步方式，由于各單元單獨地使用電機驅(qū)動，因而該方式具有大的輸出功率。
可見，當各單元性能相似時，僅僅只有給定案能較好地實現(xiàn)同步。而任何電機出現(xiàn)了擾動時，會嚴重影響系統(tǒng)的同步運行情況。
2.3虛擬總軸控制方案虛擬總軸方案模擬了機械總軸的物理特性，因而具有與機械總軸相似的固有同步特性。隨著虛擬總軸同步方式的提出，以上的問題得到了很大的改善，系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能。虛擬總軸方式不僅具有主令同步方式的大容量特點，還保留了傳統(tǒng)同步方式固有的同步特性，同時也使系統(tǒng)具有靈活的拓撲結(jié)構(gòu)。圄2是該信號波動，而任何電機都不會受到擾動時，該方方案的結(jié)構(gòu)框圄。
該結(jié)構(gòu)框圄含虛擬總軸（包括總軸驅(qū)動器）、虛擬內(nèi)軸以及機械單元負載。
由于它模擬的是機械部件，根據(jù)虎克定理為可推出機械軸扭矩為：Tt=KtrX 0，其中Ktr為彈性系數(shù)，e是角位移。當考慮衰減系數(shù)時，機械扭矩還要加上機械衰減的作用，此時Tt=KtrX 0+KsXw，其中，Ks為衰減系數(shù)，w為角速度。在虛擬總軸系統(tǒng)中的扭矩為TT=Ktr0err+KsWerr，其-0，w -w，Ktr為虛擬機械內(nèi)軸的彈性系數(shù)，Ks為虛擬機械內(nèi)軸的衰減系數(shù)，w為分區(qū)電機的輸出角速度，0為分區(qū)電機的輸出角位移，w'為角速度（虛擬總軸的輸出角速度），0'為角位移（虛擬總軸的輸出角位移）。
虛擬總軸系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入信號經(jīng)過總軸的作用后，得到單元驅(qū)動器的信號，即輸入角位移、輸入角速度。也即單元驅(qū)動器的同步的是輸入信號而非系統(tǒng)的輸入信號。由于該信號是經(jīng)過總軸作用后得到的、經(jīng)過過濾后的信號，因此該信號更易為單元驅(qū)動器所跟蹤，從而提高同步的性能。
各單元的機械部分的輸入信號是電磁轉(zhuǎn)矩Te，負載及擾動T1，輸出為角速度W，Te-TL=J Xdw/dt.J為機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。電磁轉(zhuǎn)矩Te是電流（力矩）調(diào)節(jié)器的輸出。
與機械總軸類似，負載產(chǎn)生擾動時，一方面受擾單元的速度向減小該軸與其它軸之間速度差的方向變化；另一方面輸入信號也發(fā)生變化，在此輸入信號作用下，其它單元軸速度也向減小軸之間速度差的方向變化。這兩方面的作用能使系統(tǒng)快速同步，故虛擬總軸系統(tǒng)具有機械總軸方式固有的同步特性。
虛擬總軸系統(tǒng)的虛擬機械部分采用軟件實現(xiàn)，易于調(diào)節(jié)參數(shù)。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可以避免發(fā)生諧振。當調(diào)節(jié)衰減參數(shù)改變系統(tǒng)阻尼系數(shù)，還可使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。這就克服了機械總軸系統(tǒng)容易發(fā)生諧振的弊端。
每個單元用獨立的驅(qū)動電機驅(qū)動，其容量可比傳統(tǒng)機械總軸方式的系統(tǒng)容量大得多。
系統(tǒng)具有“即插即用”性質(zhì)。即通過簡單的連線操作即可改變系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，不像機械總軸那樣需要添加或拆除機械部件。
通過電子線路連接，工作在虛擬總軸方式下的系統(tǒng)能在較大的范圍內(nèi)正常運行，理論上沒有距離限制。
對虛擬總軸系統(tǒng)用Matlab進行仿真：對電機1在3秒的時候施加單位擾動，而電機2沒受到任何擾動。力矩和速度的變化如圄3~圄6. f出力矩電機2的輸出力矩由圄4可以看出當一臺電機受到擾動時，另一臺電機的速度也會相應地發(fā)生變化，使其差值變小，從而達到更好的同步效果。由于信號和沒受擾電機的速度信號彼此接近，為了看出效果，在這兩個信號的對比圄中，縮小了時間軸的范圍，以便能清楚地看到它們的變化過程。由圄5、6可知，一臺電機出現(xiàn)擾動時，各分區(qū)電動機的速度的直接給定，即信號也發(fā)生變化，正是這個信號的變化使沒有受到擾動的電機的速度也跟著受擾電機的速度變化，這一點也是機械總軸系統(tǒng)之所以能同步的關鍵所在，而虛擬總軸系統(tǒng)復現(xiàn)了這一點。由圄5、6還可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生擾動的瞬間，信號的大小介于受擾電機速度和沒受擾電機速度之間，一段時間以后，沒受擾電機的速度發(fā)生超調(diào)，此時信號的值大于所有電機的輸出速度，然后各電機的輸出速度在這個信號的作用下逐漸提升，最后達到受擾前的穩(wěn)定狀態(tài)。在整個過程中，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，各電機的速度沒有很好地與整個系統(tǒng)的給定信號同步，但能與各電機的信號（該信號是系統(tǒng)給定信號經(jīng)過虛擬總軸作用后輸出的信號）很好地同步，但這并不妨礙系統(tǒng)的正常工作，因為系統(tǒng)的主要性能指標是各電機之間的同步，而不是電機與給定信號的同步。
3結(jié)論田福祥先進的電子總軸技術(shù)及其應用。青島建筑工程學院學報，1990.熊光楞，肖田元，等。計算機仿真應用。北京：清華大學出版社，1988.以上對幾種常見的多電機同步控制方案的闡述和比較，并得出虛擬總軸同步方式具有很好的綜合性能的結(jié)論說明，虛擬總軸同步方式是一個具有前途的控制方案。
