CN104362908A - 多电机实时同步控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电机实时同步控制系统及其控制方法，该控制系统包括：上位机，用于输入指令信号；虚拟领航者，与上位机连接，用于接收上位机的指令信号并输出参考信号；和多个包括伺服电机在内的伺服控制单元，其与虚拟领航者连接，接收虚拟领航者的信号，并在稳态和动态过渡过程中实现多个伺服电机的同步变化。该控制系统不仅能保证多电机稳态时的同步精度而且在动态过渡过程中多电机之间也能保持同步运行。

Description

多电机实时同步控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于同步控制技术领域，具体涉及一种多电机实时同步控制系统及其控制方法。

背景技术

目前，同步控制技术已广泛应用于各种工业生产过程中，其通过各控制单元良好的协同作用来实现对整个系统的高精度控制，进而完成复杂的生产过程。

现有的多电机同步控制方法主要关注于设计更优的同步策略来减小稳态系统的同步误差，从提高稳态同步控制精度和对未知输入扰动的鲁棒性这一角度开展对同步控制技术的研究。例如，基于虚拟总轴和耦合控制等同步策略分别从不同角度对稳态系统的同步控制做出了相应的研究。

然而，在复杂的工业生产环境中，当启动，停车，以及所受到的外界干扰超出系统控制器所能承受的范围时，多电机系统就会处于一个动态的过渡过程。此时同步误差增大，造成系统各控制单元的不同步，产生大量的废品，从而导致生产过程中断，严重时甚至损坏设备。

因此，不仅高精度的稳态同步是多电机同步技术的关键，动态过渡过程中各电机能否始终保持同步运行也是衡量多电机同步性能的关键要素。如何在保证多电机系统稳态同步控制精度的同时实现系统动态过渡过程的同步，使得系统在任何情况下都始终保持良好的实时同步性能，是同步控制技术应用于工业生产所要解决的关键技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不仅能保证多电机稳态时的同步精度而且在动态过渡过程中多电机之间也能保持同步运行的多电机实时同步控制系统。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的多电机实时同步控制系统，包括：

上位机，用于输入指令信号；

虚拟领航者，与上位机连接，用于接收上位机的指令信号并输出参考信号；和

多个包括伺服电机在内的伺服控制单元，其与虚拟领航者连接，接收虚拟领航者的信号，并在稳态和动态过渡过程中实现多个伺服电机的同步变化。

与现有技术相比，本发明的多电机实时同步控制系统具有以下优点。由于本发明的多电机实时同步控制系统能够实现多个伺服电机在动态过渡过程中的同步控制，从而不仅能够实现各伺服电机稳态时对参考信号的跟踪，而且在达到稳态之前的动态调整过程中，各伺服电机仍能够实现同步运行。因此，使得该控制系统的各伺服电机在启动、停车、受到扰动等情况下始终能够保持良好的实时同步性能，为产品质量和生产设备的安全提供了保障。

在一个实施例中，每个伺服控制单元除包括伺服电机外，还包括：

检测器，与虚拟领航者电连接，用于检测虚拟领航者传递的参考信号；

切换式控制器组件，与检测器电连接，根据检测器输出的信号，控制其中的控制器的切换和输出；和

伺服放大器，与切换式控制器组件的输出端连接，对输出信号进行放大并驱动伺服电机；

伺服电机同时与本伺服控制单元以及相邻伺服控制单元中的检测器连接，将参数信号传递给本伺服控制单元的检测器以及相邻伺服控制单元中的检测器。

在一个优选的实施例中，所述切换式控制器组件包括并列设置的跟踪控制器和同步控制器，所述跟踪控制器和同步控制器均根据切换法则在设计的切换面上实现切换。常见的比较简单的切换法则例如采用计算式，通过计算式来进行判断，例如伺服电机的参考信号300r/min，稳态的调节范围为290r/min～310r/min。因此，若是所有的伺服电机的转速均在稳态的调节范围内，根据切换法则，控制跟踪控制器输出。若是其中有伺服电机的转速超出了稳态的调节范围，例如，有伺服电机的转速达到260r/min，系统会控制同步控制器输出，而跟踪控制器没有输出，调节所有伺服电机动态达到同步，例如转速均调整到263r/min，然后再通过多次调整，最后使各伺服电机同步达到300r/min。

在一个实施例中，所述跟踪控制器实现稳态时各伺服电机对参考信号的跟踪。

在一个实施例中，所述同步控制器实现在动态过渡过程中各伺服电机的同步运行。

在一个优选的实施例中，所述跟踪控制器和同步控制器均采用非线性滑模变结构的控制器。滑模变结构是一类特殊的非线性控制结构，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。因此，跟踪控制器和同步控制器也具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏等优点。

在一个优选的实施例中，每个伺服控制单元还包括一个抗扰调节器，所述抗扰调节器与伺服电机电连接。由于虚拟领航者模拟的是真实电机具有理想动态特性，并未考虑真实电机在实际工况下受到的干扰作用。因此，在伺服电机后面连接抗扰调节器，模拟伺服电机受到的扰动然后作用于伺服电机，这样的结构更接近于实际工况。

本发明还涉及一种多电机实时同步控制方法，其采用上述的多电机同步控制系统，并通过切换式控制器组件的调节实现该控制系统稳态时的同步控制和动态过渡过程中的同步控制。

在一个优选的实施例中，所述稳态控制和动态控制在切换面的两侧实现，在切换面的一侧实现系统稳态时的跟踪控制，在切换面的另一侧实现动态过渡过程中的同步控制。

在一个优选的实施例中，在其中一个并列侧输出信号时，另一个并列侧没有信号输出。容易控制，不容易造成输出信号的混乱。

上述本发明的多电机实时同步控制系统还具有以下优点：

1、指令信号经所述虚拟领航者过滤后输出的信号具有真实电机的理想动态特性，该信号作为各伺服电机的参考信号，更容易被跟踪。

2、利用非线性滑模变结构控制器强鲁棒性，高自适应性及易于工程实现等优点，达到更优的控制性能。

3、采用基于切换结构的控制策略，在保证系统的稳态同步精度的前提下实现了动态过渡过程中各电机的同步运行，改善了系统的动态品质；提高了同步控制的可靠性和鲁棒性。

4、某一控制单元的检测器除了能接收本单元伺服电机的位置和速度信息外，还能接收到其邻居控制单元中伺服电机的位置和速度信息，进一步提高了系统的稳定性。

附图说明

图1所示是本发明的多电机实时同步控制系统的一种具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的多电机实时同步控制系统的一种具体实施例。在该实施例中，该多电机实时同步控制系统主要包括上位机1、虚拟领航者2和若干用于调节与控制伺服电机7的伺服控制单元。其中，上位机1与虚拟领航者2通过串行通讯总线连接，上位机1用于给定指令信号。虚拟领航者2采用计算机程序模拟真实电机的动态输出特性，指令信号经虚拟领航者2处理后作为系统中给伺服电机7的参考信号。

在一个实施例中，该伺服控制单元主要包括检测器3、切换式控制器组件和伺服放大器6。其中，检测器3与虚拟领航者2连接，用于检测虚拟领航者2的输出信号并将信号传递给切换式控制器组件进行处理。该切换式控制器组件设计有基于状态的切换面，根据控制目标定义切换法则。然后根据定义的切换法则实现在切换面上的切换控制。

在一个优选的实施例中，该切换式控制器组件主要包括跟踪控制器4和同步控制器5，跟踪控制器4和同步控制器5并列连接。该跟踪控制器4和同步控制器5之间为切换结构关系。在切换面的一侧采用跟踪控制器4实现稳态时各伺服电机7对参考信号的跟踪，在另一侧采用同步控制器5实现对各伺服电机7在动态过渡过程中的同步运行。该多电机实时同步控制系统在切换面上沿着同步误差最小的方向运动，从稳态和动态两方面来共同保证多个伺服电机7的同步性。由于跟踪控制器4和同步控制器5并列连接，两者同时接收到检测器3传递的信号并进行处理，处理完毕后跟踪控制器4或同步控制器5输出一个信号给伺服放大器6。伺服放大器6接收输出的信号并进行放大，用于驱动伺服电机7。优选地，跟踪控制器4和同步控制器5均采用非线性滑模变结构的控制器。

在一个实施例中，每个驱动伺服电机7均将其输出参数通过反馈通道反馈给相邻的检测器3。相邻的检测器3检测到信号后，与虚拟领航者2输出的参考信号进行比较和处理然后输出信号给切换式控制器组件，切换式控制器组件然后根据检测器3输出的信号进行判断确定是动态跟踪还是稳态跟踪。也就是判断后确定是跟踪控制器4还是同步控制器5输出信号给伺服放大器6。

在一个优选的实施例中，如图1所示，包括四个伺服控制单元9、10、11和12，伺服控制单元9中的伺服电机7的反馈信号输送给伺服控制单元10中的检测器3，伺服单元10中的伺服电机7的反馈信号输送给伺服控制单元9以及11中的检测器3，伺服单元11中的伺服电机7的反馈信号输送给伺服控制单元12以及伺服控制单元10中的检测器3，伺服控制单元12中的伺服电机7的反馈信号输送给伺服控制单元11中的检测器3。

在一个实施例中，伺服电机7与伺服放大器6电连接，伺服放大器6将信号放大后驱动伺服电机7。本发明中采用的伺服电机7既可以是直流伺服电机也可以是交流伺服电机。

在一个实施例中，每个伺服控制单元中还包括一个抗扰调节器8，抗扰调节器8与伺服电机7电连接，用于采集相应的伺服电机7的参数摄动和外部负载扰动信号，将采集的扰动信号统一处理成等效负载扰动，通过调整输出来对伺服电机7进行补偿以提高伺服电机7的抗干扰能力。

本发明还涉及一种多电机实时同步控制方法，该控制方法采用上述的多电机实时同步控制装置，采用切换式控制器组件来实现多个伺服电机7在动态过渡过程的同步与稳态的同步精度之间的切换。在一个实施例中，在切换式控制器组件中设置有一个切换面，稳态控制和动态控制在切换面的两并列侧实现，在切换面的一个并列侧实现系统稳态时的跟踪控制，在切换面的另一并列侧实现动态过渡过程中的同步控制。在一个优选的实施例中，在其中一个并列侧输出信号时，另一个并列侧没有信号输出。

为了更清楚地说明该多电机实时同步控制方法中的切换面以及却换方法，在一个实施例中，设计基于同步协同误差(各伺服电机与参考信号偏差的代数组合)的切换函数s，各伺服电机的状态轨迹在切换面s＝0的两侧沿着同步误差趋于零的方向运动，从切换面两边分别趋于切换面。

在一个优选的实施例中，该切换式控制器输出u＝(u₁+u₂+u₁sgn(-s)+u₂sgn(s))2，其包含的并列设置的跟踪控制律u₁和同步控制律u₂通过符号函数进行逻辑判别，输出u＝u₁时，各伺服电机沿着跟踪误差减小的方向趋于切换面s＝0。此时，跟随伺服电机与虚拟领导者状态轨迹保持一致，控制律u₁可以在一定的范围内抑制不确定扰动，实现系统鲁棒稳态运行。

然而，由于控制律u₁的鲁棒性仅能在一定程度上保证系统的稳态性能，当干扰过大导致系统失步时，各伺服电机需要调整其运动轨迹以重新恢复到稳定状态。在该动态调整过程中，各伺服电机之间同步误差相对比较大，且调整时间较长，因而无法满足目前高速、高质量工业生产中实时同步的要求。因此，需要通过设计切换法则对控制律进行在线调整，输出u＝u₂，使得在从偏离稳态至恢复到稳态的动态过渡过程中，始终保持同步误差最小，最理想的状态下甚至始终能保持同步误差为零，最终以同样的轨迹快速一致的恢复到稳态。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种多电机实时同步控制系统，包括：

上位机，用于输入指令信号；

虚拟领航者，与上位机连接，用于接收上位机的指令信号并输出参考信号；和

多个包括伺服电机在内的伺服控制单元，其与虚拟领航者连接，接收虚拟领航者的信号，并在稳态和动态过渡过程中实现多个伺服电机的同步变化。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，每个伺服控制单元除包括伺服电机外，还包括：

检测器，与虚拟领航者电连接，用于检测虚拟领航者传递的参考信号；

切换式控制器组件，与检测器电连接，根据检测器输出的信号，控制其中的控制器的切换和输出；和

伺服放大器，与切换式控制器组件的输出端连接，对输出信号进行放大并驱动伺服电机；

伺服电机同时与本伺服控制单元以及相邻伺服控制单元中的检测器连接，将参数信号传递给本伺服控制单元的检测器以及相邻伺服控制单元中的检测器。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述切换式控制器组件包括并列设置的跟踪控制器和同步控制器，所述跟踪控制器和同步控制器均根据切换法则在设计的切换面上实现切换。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述跟踪控制器实现稳态时各伺服电机对参考信号的跟踪。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述同步控制器实现在动态过渡过程中各伺服电机的同步运行。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述跟踪控制器和同步控制器均采用非线性滑模变结构的控制器。

7.根据权利要求2～6中任一项所述的控制系统，其特征在于，每个伺服控制单元还包括一个抗扰调节器，所述抗扰调节器与伺服电机电连接。

8.一种多电机实时同步控制方法，其采用权利要求1～7中任一项所述的控制系统，并通过切换式控制器组件的调节实现该控制系统稳态时的同步控制和动态过渡过程中的同步控制。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述稳态控制和动态控制在切换面的两并列侧实现，在切换面的一个并列侧实现系统稳态时的跟踪控制，在切换面的另一并列侧实现动态过渡过程中的同步控制。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在其中一个并列侧输出信号时，另一个并列侧没有信号输出。