多電機(jī)同步傳動(dòng)控制系統(tǒng)分析
發(fā)布日期：2020/4/20點(diǎn)擊次數(shù)：1149
在造紙、紡織印染等多單元拖動(dòng)應(yīng)用中，由于產(chǎn)品柔軟性很大，制造過(guò)程中如果承受的拉力過(guò)大則會(huì)使產(chǎn)品斷裂、或產(chǎn)品過(guò)薄而不符合質(zhì)量要求；如果拉力過(guò)小，則會(huì)使產(chǎn)品過(guò)厚，不僅不符合要求，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。為此，要求多單元具有同步拖動(dòng)控制功能，其方案有機(jī)械總軸同步控制和主令控制。機(jī)械總軸同步控制使各個(gè)單元緊密耦合在一起，任一單元運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化都會(huì)通過(guò)機(jī)械扭矩的作用影響到其它單元的運(yùn)行，使系統(tǒng)具有固有的同步特性，但傳動(dòng)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(shí)很靈活，但卻失去了機(jī)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(diǎn)，又獲得機(jī)械總軸同步控制中物理上緊密耦合時(shí)所具有的固有同步特性，是有待研究的課題。
2多電機(jī)同步控制方案主令同步方式較機(jī)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(yán)的控制過(guò)程中，只能在特定的工作環(huán)境下才能正常工作，如當(dāng)系統(tǒng)受擾很輕并且各單元的跟隨性能相同時(shí)。而虛擬總軸控制方式即保留了主令控制方式優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)控制方式的固有同步特性，因此能廣泛地應(yīng)用于各種場(chǎng)合。
2.1機(jī)械總軸同步控制方案?jìng)鹘y(tǒng)的機(jī)械總軸同步方式由機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)：一臺(tái)大功率電機(jī)拖動(dòng)一根機(jī)械總軸，所有的單元驅(qū)動(dòng)器通過(guò)齒輪箱嚙合在總軸上，共用相同的輸入信號(hào)一一機(jī)械總軸的旋轉(zhuǎn)速度和累積角度。當(dāng)某個(gè)單元由于負(fù)載變化使其轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，單元內(nèi)的軸會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性扭矩，與其連接齒輪箱將這扭矩傳遞到機(jī)械總軸上，致使機(jī)械總軸的旋轉(zhuǎn)速度隨單元轉(zhuǎn)速朝相同方向變化。而機(jī)械總軸的旋轉(zhuǎn)角速度也是所有單元的給定信號(hào)，因此其它的單元速度也會(huì)隨受擾單元速度的變化而變化？梢(jiàn)負(fù)載的擾動(dòng)不僅使本單元的輸出變化，也使每個(gè)單元的輸出信號(hào)都向相同的方向變化。正是由于這兩方面的作用，負(fù)載的擾動(dòng)所引起的失同步，在機(jī)械軸扭矩的作用下能很快回到同步的運(yùn)行狀態(tài)。但這種方案有其許多不足。
用一個(gè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)多個(gè)負(fù)載，由于電機(jī)容量有限，限制了每個(gè)負(fù)載分得的拖動(dòng)功率，致使單元輸出力矩受限，即限制了單元的負(fù)載。
機(jī)械總軸易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。機(jī)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(jī)械諧振）。若諧振頻率較低，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在機(jī)械系統(tǒng)中，該阻尼系數(shù)無(wú)法調(diào)節(jié)，難以取得預(yù)想的動(dòng)態(tài)性能。
受機(jī)械總軸固有彈性的限制，機(jī)械總軸所能承受的****輸出力矩反比于總軸長(zhǎng)度，正比于軸的截面積。當(dāng)生產(chǎn)工藝要求電機(jī)之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于總軸較長(zhǎng)，為了保證總軸能產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載時(shí)所需的扭矩，就要求加大總軸的截面積，但這會(huì)增加成本。
由于所有機(jī)械單元用機(jī)械部件（齒輪箱）連接在一起，結(jié)構(gòu)相對(duì)固定。當(dāng)需要增加或減少單元時(shí)，必須增加或移去這些機(jī)械部件。而頻繁的單元變動(dòng)會(huì)使系統(tǒng)的操作復(fù)雜化。
總軸拖動(dòng)的每一個(gè)單元都需要配備一個(gè)相應(yīng)的齒輪箱，齒輪箱的加工及其潤(rùn)滑費(fèi)用較高，而且齒輪箱的運(yùn)動(dòng)方程固定不變，不可編程。
當(dāng)需要通過(guò)齒輪箱調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比時(shí)，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(gè)輸入信號(hào)，即信號(hào)。各單元之間芫全沒(méi)有耦合，任一單元的擾動(dòng)不會(huì)影響其它單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于系統(tǒng)的輸入信號(hào)（主令信號(hào)）直接作用到每個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)器上，因此每個(gè)單元獲得一致的輸入信號(hào)，不受其它因素影響，即任一單元的擾動(dòng)不會(huì)影響其它單元的工作狀態(tài)。如果僅僅是主令信號(hào)的波動(dòng)，此時(shí)各單元的同步主要靠各單元對(duì)主令信號(hào)的一致跟隨。但當(dāng)某一單元發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的同步就得不到保證。該方式與機(jī)械總軸方式相比，主要是因?yàn)槭チ藛卧g的相互反饋環(huán)節(jié)，因而失去了機(jī)械總軸同步方式的固有同步特性。但相對(duì)于機(jī)械同步方式，由于各單元單獨(dú)地使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因而該方式具有大的輸出功率。
可見(jiàn)，當(dāng)各單元性能相似時(shí)，僅僅只有給定案能較好地實(shí)現(xiàn)同步。而任何電機(jī)出現(xiàn)了擾動(dòng)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的同步運(yùn)行情況。
2.3虛擬總軸控制方案虛擬總軸方案模擬了機(jī)械總軸的物理特性，因而具有與機(jī)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(wèn)題得到了很大的改善，系統(tǒng)具有更好的動(dòng)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(diǎn)，還保留了傳統(tǒng)同步方式固有的同步特性，同時(shí)也使系統(tǒng)具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圄2是該信號(hào)波動(dòng)，而任何電機(jī)都不會(huì)受到擾動(dòng)時(shí)，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(dòng)器）、虛擬內(nèi)軸以及機(jī)械單元負(fù)載。
由于它模擬的是機(jī)械部件，根據(jù)虎克定理為可推出機(jī)械軸扭矩為：Tt=KtrX 0，其中Ktr為彈性系數(shù)，e是角位移。當(dāng)考慮衰減系數(shù)時(shí)，機(jī)械扭矩還要加上機(jī)械衰減的作用，此時(shí)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(jī)械內(nèi)軸的彈性系數(shù)，Ks為虛擬機(jī)械內(nèi)軸的衰減系數(shù)，w為分區(qū)電機(jī)的輸出角速度，0為分區(qū)電機(jī)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(hào)經(jīng)過(guò)總軸的作用后，得到單元驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)，即輸入角位移、輸入角速度。也即單元驅(qū)動(dòng)器的同步的是輸入信號(hào)而非系統(tǒng)的輸入信號(hào)。由于該信號(hào)是經(jīng)過(guò)總軸作用后得到的、經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的信號(hào)，因此該信號(hào)更易為單元驅(qū)動(dòng)器所跟蹤，從而提高同步的性能。
各單元的機(jī)械部分的輸入信號(hào)是電磁轉(zhuǎn)矩Te，負(fù)載及擾動(dòng)T1，輸出為角速度W，Te-TL=J Xdw/dt.J為機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。電磁轉(zhuǎn)矩Te是電流（力矩）調(diào)節(jié)器的輸出。
與機(jī)械總軸類似，負(fù)載產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，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(hào)也發(fā)生變化，在此輸入信號(hào)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(jī)械總軸方式固有的同步特性。
虛擬總軸系統(tǒng)的虛擬機(jī)械部分采用軟件實(shí)現(xiàn)，易于調(diào)節(jié)參數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)可以避免發(fā)生諧振。當(dāng)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(dòng)態(tài)性能。這就克服了機(jī)械總軸系統(tǒng)容易發(fā)生諧振的弊端。
每個(gè)單元用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其容量可比傳統(tǒng)機(jī)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(guò)簡(jiǎn)單的連線操作即可改變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不像機(jī)械總軸那樣需要添加或拆除機(jī)械部件。
通過(guò)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(yùn)行，理論上沒(méi)有距離限制。
對(duì)虛擬總軸系統(tǒng)用Matlab進(jìn)行仿真：對(duì)電機(jī)1在3秒的時(shí)候施加單位擾動(dòng)，而電機(jī)2沒(méi)受到任何擾動(dòng)。力矩和速度的變化如圄3~圄6. f出力矩電機(jī)2的輸出力矩由圄4可以看出當(dāng)一臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)的速度也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，使其差值變小，從而達(dá)到更好的同步效果。由于信號(hào)和沒(méi)受擾電機(jī)的速度信號(hào)彼此接近，為了看出效果，在這兩個(gè)信號(hào)的對(duì)比圄中，縮小了時(shí)間軸的范圍，以便能清楚地看到它們的變化過(guò)程。由圄5、6可知，一臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，各分區(qū)電動(dòng)機(jī)的速度的直接給定，即信號(hào)也發(fā)生變化，正是這個(gè)信號(hào)的變化使沒(méi)有受到擾動(dòng)的電機(jī)的速度也跟著受擾電機(jī)的速度變化，這一點(diǎn)也是機(jī)械總軸系統(tǒng)之所以能同步的關(guān)鍵所在，而虛擬總軸系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)了這一點(diǎn)。由圄5、6還可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)的瞬間，信號(hào)的大小介于受擾電機(jī)速度和沒(méi)受擾電機(jī)速度之間，一段時(shí)間以后，沒(méi)受擾電機(jī)的速度發(fā)生超調(diào)，此時(shí)信號(hào)的值大于所有電機(jī)的輸出速度，然后各電機(jī)的輸出速度在這個(gè)信號(hào)的作用下逐漸提升，最后達(dá)到受擾前的穩(wěn)定狀態(tài)。在整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，各電機(jī)的速度沒(méi)有很好地與整個(gè)系統(tǒng)的給定信號(hào)同步，但能與各電機(jī)的信號(hào)（該信號(hào)是系統(tǒng)給定信號(hào)經(jīng)過(guò)虛擬總軸作用后輸出的信號(hào)）很好地同步，但這并不妨礙系統(tǒng)的正常工作，因?yàn)橄到y(tǒng)的主要性能指標(biāo)是各電機(jī)之間的同步，而不是電機(jī)與給定信號(hào)的同步。
3結(jié)論田福祥先進(jìn)的電子總軸技術(shù)及其應(yīng)用。青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1990.熊光楞，肖田元，等。計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用。北京：清華大學(xué)出版社，1988.以上對(duì)幾種常見(jiàn)的多電機(jī)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(shuō)明，虛擬總軸同步方式是一個(gè)具有前途的控制方案。
