CN112542965B - 一种多电机同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是为了解决大型混凝土振动台多组电机协同控制困难的问题，提高多组电机同步控制精度，从而提高混凝土振动密实效果，生产出成品质量更好的构件。为解决上述问题，本发明提供了一种多电机同步控制系统及方法，单台电机通过单台电机控制模块进行转速控制，单组电机的双台电机通过单组电机控制模块进行双台电机同步控制，控制网络的多组电机通过多组电机同步模块进行同步控制。

Description

一种多电机同步控制系统及方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种多电机同步控制系统及控制方法，适合于需要多台电机协同工作的场合。

背景技术

在蒸压砌块厂、水泥预制件厂等这些需要进行混凝土密实的场所，单台电机或双台电机构成的小型振动台往往无法满足生产需求，因此需要由多台电机协同驱动的大型振动台投入生产，驱动激振器协同激振，通过相互耦合产生所需要的波形。

为产生良好的密实效果，振动波形的选择至关重要，最为典型的应用方式就是竖直方向的正弦激振，需要将两台电机对称布置，以抵消水平方向的激振力，而当驱动电机之间的转角以及相位不同步时，会使水平激振力不能完全抵消，产生水平方向的残余分力，不利于混凝土的振动密实。

目前，多电机同步控制多采用主令等同、主从跟随、相邻交叉耦合等方式。主令等同式结构简单，但鲁棒性较差；主从跟随式稳定性有所提高，但会导致从电机跟踪滞后；相邻交叉耦合方式则只适用于两台电机之间的同步。除此之外，只依靠于同步结构的同步控制方式同步效果较差，不一定满足实际的生产需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决大型混凝土振动台多组电机协同控制困难的问题，提高多组电机同步控制精度，从而提高混凝土振动密实效果，生产出成品质量更好的构件。

为解决上述问题，本发明提供了一种多电机同步控制系统及方法，单台电机通过单台电机控制模块进行转速控制，单组电机的双台电机通过单组电机控制模块进行双台电机同步控制，控制网络的多组电机通过多组电机同步模块进行同步控制。

技术方案为：

一种多电机同步控制系统，基于CAN总线搭建系统，其特征在于：用于协调多台电机同步运动，包括输入信号模块、单台电机控制模块、单组电机控制模块、多组电机控制模块；输入信号模块，用于产生电机控制信号，为电机转速设定值；单台电机控制模块，用来控制单台电机转速；单组电机控制模块，用来控制一组电机中的两台电机同步运行；多组电机控制模块，用来控制控制网络中多组电机之间的同步运行，电机组数可以根据实际生产情况进行扩展；输入信号模块发出控制信号，经由CAN总线传送至控制网络；信号经由单台电机控制模块，利用滑模控制算法对单台电机进行转速控制；单组电机包括两台电机，一台电机受到扰动信号时，通过单组电机控制模块的交叉耦合模糊PID算法实现两台电机之间的同步运转；同时将此速度扰动信息传播至控制网络中的其他节点，经由多组电机控制模块，利用偏差耦合控制实现多组电机的同步运转。

多电机同步控制系统的控制方法，其特征在于：设计滑模面以及负载转矩观测器构成滑模控制器，输入单台电机转速误差，进行单台电机转速控制；确定模糊规则以及量化因子，输入单组电机中的两台电机转速偏差，得到同步误差补偿，进行两台电机的同步控制；输入各组电机平均转速，利用偏差耦合，进行各组电机之间同步控制；所述单台电机转 速控制算法过程为：

单台电机控制模块采用滑模控制算法，核心为滑模控制器设计。首先建立永磁同步电机数学模型。将坐标转换至两相d-q旋转坐标系下。

电磁转矩满足下式：

式中，i_d、i_q分别表示d轴和q轴的电流，Ψ_d、Ψ_q分别表示d轴和q轴的磁通，Ψ_f表示磁链幅值，L_d、L_q分别表示d轴和q轴的电感，p_n表示极对数，ω_r表示电机转子的机械角速度。

对于面装式永磁同步电机，直轴和交轴的气隙长度相同，因此可将上式简化为：

根据运动学关系可以得到电机的运动平衡方程：

式中J_m表示转动惯量，T_L表示负载阻力矩，B_m表示粘滞阻尼系数。

联立式(2)与式(3)可得：

将多电机同步系统的给定目标转速ω_r和第m台电机的反馈转速ω_m的差值x_m1以及其积分x_m2作为控制系统的状态变量，进行滑模面的设计。

则系统的滑模面为

s＝cx_m2+x_m1 (6)

式中c为大于0的常数，当c较大时系统会更快趋近设定好的滑模面，但同时由于到达滑模面的速度过大会导致类似超调现象的高频抖振，反之当c较小时系统会缓慢趋近滑模面，能够在一定程度上削弱抖振的影响，但会增加系统响应的时间。所以要结合具体情况合理设置参数c的取值。

由永磁同步电机的模型，即式(4)，可得

联立式(5)可求得

则

采用等速趋近律的方式设计滑模面，并考虑到滑模算法存在的“抖振”问题，采用饱和函数sat(s/ζ)替换趋近率中等速项的符号函数sgn(s/ζ)以削弱高频抖振的不利影响，则令：

式中δ、k均大于0，其中参数δ要配合k的取值进行正确选取，当k值较大时会产生超调进而引起抖振延长系统稳定的时间；反之当k取值较小时由于指数的衰减特性系统趋近滑模面的速度会越来越小延长到达滑模面的时间，在确定k值之后再选择合适的δ值保证系统以固定的速度趋近并最终到达滑模面。

可得单电机跟踪系统的控制量为：

式中

i_qm是第m台电机q轴的电流输入，J_m表示第m台电机的转动惯量，p_nm表示第m台电机的极对数，Ψ_fm表示第m台电机的定子磁链，B_m表示第m台电机的粘滞摩擦系数，T_Lm表示第m台电机的负载转矩。

考虑到负载转矩T_Lm是未知量，且负载转矩的变换会影响到系统速度，为提高系统抗干扰能力，需要设计负载转矩观测器。一般来说负载转矩发生突变的速度远小于控制器开关的速度，所以可以认为在控制周期内负载转矩突变的速度很慢，也即

取系统的反馈转速和q轴电流值为观测对象得到以下观测器方程组：

式中

为第m台电机的角速度观测值，

为第m台电机的负载转矩观测值，k₁、k2均为常数并且大于0。

根据Lyapunov稳定性判别条件分析可知，系统的观测误差能在有限的时间内趋于零。

用负载转矩观测值

替换式中的T_Lm得到新的控制率为：

单组电机控制模块的核心是模糊PID控制器，输入是单组电机中两台电机的转速差E，输出信号为PID控制器三大参数比例系数、积分系数、微分系数的调节量。

首先确定模糊控制原则：当偏差E较小，为减小稳态误差，比例系数和积分系数选取较大的值，微分系数与偏差变化率绝对值呈负相关；当偏差E中等大小时，需要减小比例系数，同时选择适中的积分与微分系数；当偏差E较大时，应减小积分系数防止超调，减少微分系数防止溢出，增大比例系数。

进一步确定输入输出量对应的模糊化参数，输入量隶属度函数采用Gaussmf曲线，输出量隶属度函数采用Trimf曲线。

根据经验以及采样数据进一步确定输入量化因子和输出比例因子，并经过模糊推理得到具有多个隶属度元素的模糊集合。

利用重心法对模糊推理结果进行解模糊运算，再与上述确定的输出比例因子相乘即可得到PID控制器三大参数的调节量。

多组电机控制模块为偏差耦合控制结构与模糊PID控制器，输入为各组电机转速值，进而解算出该组电机平均转速与其他组电机平均转速的偏差总和，经过模糊PID控制器处理，可得到多组电机误差补偿的控制量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例所需要使用到的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为多电机同步控制系统示意图。

图2是单台电机控制模块输入输出示意图。

图3是单组电机控制模块输入输出示意图。

图4是多组电机控制模块输入输出示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示一种多电机同步控制系统，基于CAN总线搭建系统，其特征在于：用于协调多台电机同步运动，包括输入信号模块、单台电机控制模块、单组电机控制模块、多组电机控制模块，

输入信号模块，用于产生电机控制信号，为电机转速设定值；单台电机控制模块，用来控制单台电机转速；

单组电机控制模块，用来控制一组电机中的两台电机同步运行；

多组电机控制模块，用来控制控制网络中多组电机之间的同步运行，电机组数可以根据实际生产情况进行扩展；

输入信号模块发出控制信号，经由CAN总线传送至控制网络；

信号经由单台电机控制模块，利用滑模控制算法对单台电机进行转速控制；单组电机包括两台电机，一台电机受到扰动信号时，通过单组电机控制模块的交叉耦合模糊PID算法实现两台电机之间的同步运转；同时将此速度扰动信息传播至控制网络中的其他节点，经由多组电机控制模块，利用偏差耦合控制实现多组电机的同步运转。

如图2，单台电机控制模块输入为信号输入模块给定转速信号与反馈转速偏差(图中输入1)，电机反馈转速(图中输入2)以及电机反馈q轴电流(图中输入3)，经过上述滑模控制算法解算，输出电机q轴电流的控制量(图中输出1)，完成单台电机的转速控制。K_p1表示式(14)中的参数k，K_p8表示B_m/J_m，K_p5表示1/J_m以及[A]表示第m台电机的负载转矩观测信号

如图3，单组电机控制模块输入为单组电机中两台电机的转速偏差(图中输入1)，经过输入量化因子K1、K2，将连续的输入信号转化为离散信号的零阶保持器Zero-OrderHold，以及模糊控制器Fuzzy Logic Controller，输出量比例因子K3、K4、K5，最终经过积分分离型离散PID控制器Discrete Varying PID，可得到电机控制量(图中输出1)。

如图4，输入为各组电机平均转速(图中输入1)，进而得到当前组电机平均转速与其他组电机平均转速的偏差总和，经过模糊PID控制器，该控制器与上述模糊PID控制器结构一致，进而得到电机控制量(图中输出1)。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种多电机同步控制系统，基于CAN总线搭建系统，其特征在于：用于协调多台电机同步运动，包括输入信号模块、单台电机控制模块、单组电机控制模块、多组电机控制模块；

输入信号模块，用于产生电机控制信号，为电机转速设定值；单台电机控制模块，用来控制单台电机转速；

单组电机控制模块，用来控制一组电机中的两台电机同步运行；

多组电机控制模块，用来控制控制网络中多组电机之间的同步运行，电机组数可以根据实际生产情况进行扩展；

输入信号模块发出控制信号，经由CAN总线传送至控制网络；

信号经由单台电机控制模块，利用滑模控制算法对单台电机进行转速控制；单组电机包括两台电机，一台电机受到扰动信号时，通过单组电机控制模块的交叉耦合模糊PID算法实现两台电机之间的同步运转；同时将此速度扰动信息传播至控制网络中的其他节点，经由多组电机控制模块，利用偏差耦合控制实现多组电机的同步运转。

2.如权利要求1所述的一种多电机同步控制系统，其特征在于，输入信号模块，输入信号模块可以输入模拟量、脉冲波形或者数字信号。

3.如权利 要求1所述的一种多电机同步控制系统，其特征在于，单台电机控制模块，控制模块接收电机反馈转速值，与目标转速进行对比，通过滑模控制算法 - 进行转速控制。

4.如权利要求1所述的一种多电机同步控制系统，其特征在于，单组电机控制模块，获取单组电机的两台电机之间的转速差，经过模糊PID控制，减小同步误差，实现两台电机的同步控制。

5.如权利 要求1所述的一种多电机同步控制系统，其特征在于，多组电机控制模块 - ，通过各组电机偏差耦合的方式进行动态的速度补偿，实现多组电机之间的同步控制。

6.一种如权利 要求1所述的多电机同步控制系统的控制方法，其特征在于：

设计滑模面以及负载转矩观测器构成滑模控制器，输入单台电机转速误差，进行单台电机转速控制 - ；

确定模糊规则以及量化因子，输入单组电机中的两台电机转速偏差，得到同步误差补偿，进行两台电机的同步控制；

输入各组电机平均转速，利用偏差耦合，进行各组电机之间同步控制；

所述单台电机转速控制 算法过程为：

首先建立永磁同步电机数学模型；将坐标转换至两相d-q旋转坐标系下，电磁转矩满足下式：

式中，i_d、i_q分别表示d轴和q轴的电流，Ψ_f表示磁链幅值，L_d、L_q分别表示d轴和q轴的电感，p_n表示极对数，ω_r表示电机转子的机械角速度；

简化为：

根据运动学关系得到电机的运动平衡方程：

式中J_m表示转动惯量，T_L表示负载阻力矩，B_m表示粘滞阻尼系数；

联立式(2)与式(3)可得：

将多电机同步系统的给定目标转速ω_r和第m台电机的反馈转速ω_m的差值x_m1以及其积分x_m2作为控制系统的状态变量，进行滑模面的设计；

则系统的滑模面为

s＝cx_m2+x_m1 (6)

式中c为大于0的常数；

由永磁同步电机的模型，即式(4)，可得

联立式(5)可求得

则

采用等速趋近律的方式设计滑模面，并考虑到滑模算法存在的“抖振”问题，采用饱和函数sat(s/ζ)替换趋近率中等速项的符号函数sgn(s/ζ)以削弱高频抖振的不利影响，则令：

式中δ、k均大于0，其中参数δ要配合k的取值进行正确选取，当k值较大时会产生超调进而引起抖振延长系统稳定的时间；反之当k取值较小时由于指数的衰减特性系统趋近滑模面的速度会越来越小延长到达滑模面的时间，在确定k值之后再选择合适的δ值保证系统以固定的速度趋近并最终到达滑模面；

得单电机跟踪系统的控制量为：

式中

i_qm是第m台电机q轴的电流输入，J_m表示第m台电机的转动惯量，p_nm表示第m台电机的极对数，Ψ_fm表示第m台电机的定子磁链，B_m表示第m台电机的粘滞摩擦系数，T_Lm表示第m台电机的负载转矩；

考虑到负载转矩T_Lm是未知量，且负载转矩的变换会影响到系统速度，为提高系统抗干扰能力，需要设计负载转矩观测器；

取系统的反馈转速和q轴电流值为观测对象得到以下观测器方程组：

式中

为第m台电机的角速度观测值，

为第m台电机的负载转矩观测值，k₁、k2均为常数并且大于0；

用负载转矩观测值

替换式中的T_Lm得到新的控制率为：

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，利用目标转速ω_r和第m台电机的反馈转速ω_m的差值以及其积分作为控制系统的状态变量，进行滑模面的设计。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，采用重心法对模糊推理结果进行解模糊运算，采用积分分离型离散PID控制器。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，PID控制器内的模糊算法为：

首先确定模糊控制原则：当偏差E较小，为减小稳态误差，比例系数和积分系数选取较大的值，微分系数与偏差变化率绝对值呈负相关；当偏差E中等大小时，需要减小比例系数，同时选择适中的积分与微分系数；当偏差E较大时，应减小积分系数防止超调，减少微分系数防止溢出，增大比例系数。

10.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，电机速度反馈的差值可进行反馈增益，增益值可根据实际生成情况确定。

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