CN115514258A - 多电机同步力控方法及系统 - Google Patents

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CN115514258A CN202211120651.5A CN202211120651A CN115514258A CN 115514258 A CN115514258 A CN 115514258A CN 202211120651 A CN202211120651 A CN 202211120651A CN 115514258 A CN115514258 A CN 115514258A
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Abstract

本发明提供了一种多电机同步力控方法及系统，其方法包括步骤，获取多电机的总期望力；根据多电机中各个电机的特性，计算各个电机的子期望力；设置用于控制各个电机按照对应的所述子期望力进行运行的外反馈环路，并以各个电机的同步性误差作为所述外反馈环路的反馈项；设置用于控制各个电机按照对应的所述子期望力进行运行的内反馈环路，并以各个电机的输出力误差作为所述内反馈环路的反馈项。该方案能够在实现精确力控的前提下，保证多电机运动的同步性，实现大功率的精确力控输出，满足实际工业需求。

Description

多电机同步力控方法及系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤指一种多电机同步力控方法及系统。
背景技术
在很多工业场景中，存在多电机同步运行的需求，例如在一个高度受限的机构中，需要输出一个大力矩，若采用单个大功率电机不能满足安装要求，此时可以采用多个电机并联同步运行来满足需求。
电机同步运行时对电机的同步性有很高的要求，目前大部分方案只考虑了多电机同步的位控模式，即驱使每个电机输出相同的期望运动轨迹。根据控制策略的不同，可以分成同等控制、主从控制、相邻耦合控制、交叉耦合控制、虚拟主轴控制、偏差耦合控制等。但是，多电机同步力控，既要求可以精确力控，又要满足各电机的位移、速度同步性，相当于是多电机的力/位混合控制，其难度更高；且传统的通过电流或安装力传感器测量电机输出力矩的方案因为成本过高而应用场景有限。因此，需要一种能够在精确力控的同时，保证多电机运动同步性的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种多电机同步力控方法及系统，解决现有技术中多电机的力/位混合控制难度较高，且成本过高的问题。
本发明提供的技术方案如下：
本发明提供一种多电机同步力控方法，包括步骤，
获取多电机的总期望力；
根据多电机中各个电机的特性，计算各个电机的子期望力；
设置用于控制各个电机按照对应的所述子期望力进行运行的外反馈环路，并以各个电机的同步性误差作为所述外反馈环路的反馈项；
设置用于控制各个电机按照对应的所述子期望力进行运行的内反馈环路，并以各个电机的输出力误差作为所述内反馈环路的反馈项。
在进行大功率的力控输出时，通过获取多电机的目标总期望力，以及各个电机的特性，能够计算出各个电机的子期望力，同时，在分别控制各个电机按照对应的子期望力进行运行时，通过设置外反馈环路和内反馈环路，并以各个电机的同步性误差作为外反馈环路的反馈项，以各个电机的输出力误差作为内反馈环路的反馈项，能够在有限空间内实现精确的力控，且保证多电机运动的同步性，能够满足更多的工业需求。
具体的，通过总期望力分配每个电机的期望力曲线，并使每个电机按照期望的力执行，能够实现精确控制，且使得各电机的位移、速度保持高同步性。
另外，通过两个环路实现控制，内环路为高速力反馈回路，根据电机输出力误差设计控制率，使电机按照对应的子期望力输出，外环路为低速运动同步性误差回路，根据各电机位移、速度的差异设计控制率，进一步使各电机保持同步运行。
在一些实施方式中，所述的以各个电机的同步性误差作为所述外反馈环路的反馈项，具体包括：
通过设置在电机内的编码器实时测量各个电机的位移和速度；
根据各个电机的位移和速度，计算各个电机的同步性误差；
将所述同步性误差作为所述外反馈环路的反馈项。
在计算同步性误差时，可以通过设置在电机内的编码器实时测量各个电机的位移和速度，通过比较各个电机的位移和速度，计算各个电机的同步性误差。
在一些实施方式中，还包括：预设所述外反馈环路的控制参数；
所述同步性误差包括同步性位移误差和同步性速度误差；
所述外反馈环路的控制参数包括与所述同步性位移误差对应的第一参数，以及与所述同步性速度误差对应的第二参数。
具体的，同步性误差包括同步性位移误差和同步性速度误差，用于分别保证各电机位移和速度的同步。在控制时，还需要预设与同步性位移误差对应的第一参数，以及与同步性速度误差对应的第二参数，以便进行电机输出力的调整，第一参数和第二参数的大小可以根据多电机的实际情况进行调整，在此不做限制。
在一些实施方式中，所述的以各个电机的输出力误差作为所述内反馈环路的反馈项，具体包括：
实时测量安装在各个电机活动端的弹簧的形变量，获得各个电机的实际输出力；
根据各个电机的所述实际输出力和对应的所述子期望力，计算各个电机的输出力误差，并将所述输出力误差作为所述内反馈环路的反馈项。
在计算输出力误差时，可以通过实时测量安装在各个电机活动端的弹簧的形变量，获得各个电机的实际输出力，再将各个电机的实际输出力和对应的子期望力进行对比，获得各个电机的输出力误差。
此外，通过在电机执行机构的活动端末端串联安装弹簧，一方面可通过度量弹簧形变量来实现电机输出力的精确测量，另一方面，串联的弹簧给整个装置提供一定的同步性误差冗余量，可以减少机械应力和形变，有利于保护设备。
在一些实施方式中，还包括：
预设所述内反馈环路的控制参数。
在一些实施方式中，所述内反馈环路以第一预设频率进行更新，所述外反馈环路以第二预设频率进行更新，
所述第一预设频率大于所述第二预设频率。
在一些实施方式中，所述内反馈环路设置有第一预设带宽，所述外反馈环路设置有第二预设带宽，
所述第一预设带宽大于所述第二预设带宽。
另外，本发明还提供一种基于上述的多电机同步力控方法的多电机同步力控系统，包括：
上台面；
底板，与所述上台面相对设置，且所述底板朝向所述上台面的一侧固定安装有若干个电机；
所述电机的内部设置有编码器，且所述电机的执行机构的活动端均通过弹簧与所述上台面连接；
所述弹簧的侧方均设置有用于测量所述弹簧形变量的位移传感器。
在具体实施上述的多电机同步力控方法时，设置上台面和底板，上台面作为多电机的驱动面，电机固定在底板和上台面之间，电机的内部设置有编码器，能够实时测量各个电机的位移和速度；电机的执行机构的活动端均通过弹簧与上台面连接，弹簧的侧方设置有用于测量弹簧形变量的位移传感器，通过设置弹簧一方面可通过度量弹簧形变量来实现电机输出力的精确测量，另一方面能够给整个装置提供一定的同步性误差冗余量，以便于减少设备的机械应力和形变。
在一些实施方式中，所述上台面的四角均设置有导向孔，所述底板的顶面四角均设置有与所述导向孔匹配的导向杆。
在一些实施方式中，若干个电机均匀分布，且型号相同。
通过本发明提供的一种多电机同步力控方法及系统，至少具有以下有益效果：
(1)通过获取多电机的目标总期望力，以及各个电机的特性，能够计算出各个电机的子期望力，同时，在分别控制各个电机按照对应的子期望力进行运行时，通过设置外反馈环路和内反馈环路，并以各个电机的同步性误差作为外反馈环路的反馈项，以各个电机的输出力误差作为内反馈环路的反馈项，能够在有限空间内实现精确的力控，且保证多电机运动的同步性，能够满足更多的工业需求；
(2)通过在电机执行机构的活动端末端串联安装弹簧，一方面可通过度量弹簧形变量来实现电机输出力的精确测量，另一方面，串联的弹簧给整个装置提供一定的同步性误差冗余量，可以减少机械应力和形变，有利于保护设备。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本方案的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明实施例的整体流程示意图；
图2是本发明实施例的控制逻辑示意图；
图3是本发明实施例的控制回路整体示意图；
图4是本发明实施例的单电机控制回路示意图；
图5是本发明实施例的Simulink仿真模型图；
图6是本发明实施例的各电机的实际输出力曲线示意图；
图7是本发明实施例的各电机的位移曲线示意图；
图8是本发明实施例的各电机的位移同步误差曲线示意图；
图9是本发明实施例的系统结构示意图。
图中标号：1-上台面；2-底板；3-电机；4-执行机构；5-弹簧；6-位移传感器；7-导向杆。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
在一个实施例中，参考说明书附图图1和图2，本发明提供一种多电机同步力控方法，包括步骤，
S1、获取多电机的总期望力。
S2、根据多电机中各个电机的特性，计算各个电机的子期望力。
根据各电机的特性，将总期望力Fd分配给各个电机，每个电机的子期望力为Fdi，满足
Figure BDA0003846863080000061
如果电机为同型号，则分担到各电机的期望力应该接近，此时可将每个电机的子期望力设置为Fdi＝Fd/N。
S3、设置用于控制各个电机按照对应的子期望力进行运行的外反馈环路，并以各个电机的同步性误差作为外反馈环路的反馈项。
优选的，以各个电机的同步性误差作为外反馈环路的反馈项，具体包括：
通过设置在电机内的编码器实时测量各个电机的位移和速度。
根据各个电机的位移和速度，计算各个电机的同步性误差。
将同步性误差作为外反馈环路的反馈项。
在计算同步性误差时，可以通过设置在电机内的编码器实时测量各个电机的位移和速度，通过比较各个电机的位移和速度，计算各个电机的同步性误差。
进一步优选的，还包括：预设外反馈环路的控制参数。
同步性误差包括同步性位移误差和同步性速度误差；外反馈环路的控制参数包括与同步性位移误差对应的第一参数，以及与同步性速度误差对应的第二参数。
具体的，同步性误差包括同步性位移误差和同步性速度误差，用于分别保证各电机位移和速度的同步。在控制时，还需要预设与同步性位移误差对应的第一参数，以及与同步性速度误差对应的第二参数，以便进行电机输出力的调整，第一参数和第二参数的大小可以根据多电机的实际情况进行调整，在此不做限制。
如图3和图4所示，考虑各电机的同步性误差，设定环形同步性误差反馈回路作为外反馈环路。在多电机同步运行时，应该使各电机之间的运动尽可能一致，如果同步性误差过大，会对导向机构产生机械损伤。为了使各电机同步运行，在第i个电机控制回路中增加的同步性误差反馈项为
Figure BDA0003846863080000071
其中，kxi和cxi分别为外反馈环路的第一参数和第二参数；exi和
Figure BDA0003846863080000072
分别为同步性位移误差和同步性速度误差，即
Figure BDA0003846863080000073
其中，xi为第i个电机的实际位移，
Figure BDA0003846863080000074
为第i个电机的实际速度。
S4、设置用于控制各个电机按照对应的子期望力进行运行的内反馈环路，并以各个电机的输出力误差作为内反馈环路的反馈项。
优选的，以各个电机的输出力误差作为内反馈环路的反馈项，具体包括：
实时测量安装在各个电机活动端的弹簧的形变量，获得各个电机的实际输出力。
根据各个电机的实际输出力和对应的子期望力，计算各个电机的输出力误差，并将输出力误差作为内反馈环路的反馈项。
在计算输出力误差时，可以通过实时测量安装在各个电机活动端的弹簧的形变量，获得各个电机的实际输出力，再将各个电机的实际输出力和对应的子期望力进行对比，获得各个电机的输出力误差。
此外，通过在电机执行机构的活动端末端串联安装弹簧，一方面可通过度量弹簧形变量来实现电机输出力的精确测量，另一方面，串联的弹簧给整个装置提供一定的同步性误差冗余量，可以减少机械应力和形变，有利于保护设备。
进一步优选的，还包括：预设内反馈环路的控制参数。
考虑电机输出力误差，设定力反馈回路作为内反馈环路。在第i个电机控制回路中增加的输出力误差反馈项为kPieFi+kIi∫eFidt，其中，kPi和kIi为内反馈环路的控制参数；eFi为电机实际输出力和控制力的误差。
通过测量弹簧形变量，得到每个电机的实际输出力。假设第i个电机的控制力为Fi，实际检测到的输出力为Foi，因为执行机构的摩擦等损耗，一般Foi＜Fi，且Foi通常很难精确测量。本方案在每个电机的末端增加一个定制弹簧(在电机行程范围内基本为线性)，通过量测弹簧的形变量，可以得到较为精确的电机输出力信息Foi，并反馈给内反馈环路。
根据上述步骤，可以得到控制回路整体示意图，如图3所示。此时，第i个电机的控制方程为：
Figure BDA0003846863080000081
第i个电机的控制回路如图4所示，即每个电机的控制方程由三个部分组成：
(1)期望力Fdi；
(2)外反馈环路，各电机同步性误差反馈项
Figure BDA0003846863080000082
(3)内反馈环路，电机输出力误差反馈项kPieFi+kIi∫eFidt。
在进行大功率的力控输出时，通过获取多电机的目标总期望力，以及各个电机的特性，能够计算出各个电机的子期望力，同时，在分别控制各个电机按照对应的子期望力进行运行时，通过设置外反馈环路和内反馈环路，并以各个电机的同步性误差作为外反馈环路的反馈项，以各个电机的输出力误差作为内反馈环路的反馈项，能够在有限空间内实现精确的力控，且保证多电机运动的同步性，能够满足更多的工业需求。
具体的，通过总期望力分配每个电机的期望力曲线，并使每个电机按照期望的力执行，能够实现精确控制，且使得各电机的位移、速度保持高同步性。
另外，通过两个环路实现控制，内环路为高速力反馈回路，根据电机输出力误差设计控制率，使电机按照对应的子期望力输出，外环路为低速运动同步性误差回路，根据各电机位移、速度的差异设计控制率，进一步使各电机保持同步运行。
在一个实施例中，内反馈环路以第一预设频率进行更新，外反馈环路以第二预设频率进行更新，第一预设频率大于第二预设频率。
在一个实施例中，内反馈环路设置有第一预设带宽，外反馈环路设置有第二预设带宽，第一预设带宽大于第二预设带宽。
此外，为了证明该同步力控方法的同步性、稳定性和收敛性，可以假设电机的型号相同、负载相同，同时将各控制参数也设置相同，即，kxi＝kx,cxi＝cx,kPi＝kP,kIi＝kI，i＝1,2,…,N，N个电机输出的合力为：
Figure BDA0003846863080000091
其中，
Figure BDA0003846863080000092
为N个电机的实际输出合力，通过调整参数kP和kI，可以实现快速稳定收敛。
因为假设各电机的型号相同，负载相同，则第i个电机的动力学方程为：
Figure BDA0003846863080000093
其中，m为负载质量(包含了电机转子转动惯量)；b主要为粘滞摩擦力；τ主要为重力和库伦摩擦力。
经过内环路的校正后，电机的实际输出力误差可以快速趋近于0(内反馈环路的控制带宽一般在1KHz以上，甚至达到几十KHz)，即
Figure BDA0003846863080000101
则
Figure BDA0003846863080000102
Figure BDA0003846863080000103
将式中的第i个电机对应的方程减去第i+1个电机对应的方程，得到
Figure BDA0003846863080000104
上式的N个分量方程合写成矩阵形式为
Figure BDA0003846863080000105
其中，
Figure BDA0003846863080000106
将式写成状态方程的形式，即
Figure BDA0003846863080000107
其中，
Figure BDA0003846863080000108
即控制回路可以稳定收敛的前提是矩阵A没有实部为正的特征值。矩阵A的特征值方程可以改写为：
ms2+bs+hi(cxs+kx)＝0,i＝1,2,…,N-1，
这一簇N个一元二次复系数方程(对应矩阵的2N个特征值)，只有复系数是变动的，其值为：
Figure BDA0003846863080000109
参数hi的实部大于等于0，选取合适的参数kx和cx，使得这一簇N个一元二次复系数方程的解实部均为非负，即矩阵A没有实部为正的特征值，从而满足控制系统稳定性的要求。
在一个实施例中，有3个同型号电机同步运行，每个电机执行机构一致，其传递函数为Km/(Lms+1)，其中Km＝0.95,Lm＝0.01，负载质量(包含了电机转子转动惯量)m＝30kg，粘滞摩擦力b＝100N·s/m，重力和库伦摩擦力τ＝0。
总期望力为Fd＝600sin(10πt)，内环控制系数为kI＝1000,kP＝10，外环控制系数为kx＝1500,cx＝200。
各电机的初始位置和速度为
Figure BDA0003846863080000111
在Simulink中搭建了仿真模型，如图5所示。各电机的实际输出力曲线如图6所示，可见各电机的实际输出力曲线和期望力曲线吻合得很好。各电机的位移曲线如图7所示，各电机的位移同步误差如图8所示，可见在短暂过渡后，本方案可以使各电机的同步误差快速削减至零值，实现同步力控的目的，仿真结果证明了本方案提出的多电机同步力控装置及方法的可行性和高效性。
另外，参考说明书附图9，本发明还提供一种基于上述的多电机同步力控方法的多电机同步力控系统，包括上台面1和底板2，底板2与上台面1相对设置，且底板2朝向上台面1的一侧固定安装有若干个电机3。
优选的，若干个电机3均匀分布，且型号相同。
电机3的内部设置有编码器，且电机3的执行机构4的活动端均通过弹簧5与上台面1连接；弹簧5的侧方均设置有用于测量弹簧5形变量的位移传感器6。
在具体实施上述的多电机同步力控方法时，设置上台面1和底板2，上台面1作为多电机的驱动面，电机3固定在底板2和上台面1之间，电机3的内部设置有编码器，能够实时测量各个电机的位移和速度；电机3的执行机构4的活动端均通过弹簧5与上台面1连接，弹簧5的侧方设置有用于测量弹簧5形变量的位移传感器6，通过设置弹簧5一方面可通过度量弹簧5形变量来实现电机输出力的精确测量，另一方面能够给整个装置提供一定的同步性误差冗余量，以便于减少设备的机械应力和形变。
在一个实施例中，上台面1的四角均设置有导向孔，底板2的顶面四角均设置有与导向孔匹配的导向杆7。
通过设置导向孔和导向杆7，能够使多电机运行时，上台面1沿着导向杆7移动，避免上台面1发生偏移。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多电机同步力控方法，其特征在于，包括步骤，
获取多电机的总期望力；
根据多电机中各个电机的特性，计算各个电机的子期望力；
设置用于控制各个电机按照对应的所述子期望力进行运行的外反馈环路，并以各个电机的同步性误差作为所述外反馈环路的反馈项；
设置用于控制各个电机按照对应的所述子期望力进行运行的内反馈环路，并以各个电机的输出力误差作为所述内反馈环路的反馈项。
2.根据权利要求1所述的一种多电机同步力控方法，其特征在于，所述的以各个电机的同步性误差作为所述外反馈环路的反馈项，具体包括：
通过设置在电机内的编码器实时测量各个电机的位移和速度；
根据各个电机的位移和速度，计算各个电机的同步性误差；
将所述同步性误差作为所述外反馈环路的反馈项。
3.根据权利要求2所述的一种多电机同步力控方法，其特征在于，还包括：预设所述外反馈环路的控制参数；
所述同步性误差包括同步性位移误差和同步性速度误差；
所述外反馈环路的控制参数包括与所述同步性位移误差对应的第一参数，以及与所述同步性速度误差对应的第二参数。
4.根据权利要求1所述的一种多电机同步力控方法，其特征在于，所述的以各个电机的输出力误差作为所述内反馈环路的反馈项，具体包括：
实时测量安装在各个电机活动端的弹簧的形变量，获得各个电机的实际输出力；
根据各个电机的所述实际输出力和对应的所述子期望力，计算各个电机的输出力误差，并将所述输出力误差作为所述内反馈环路的反馈项。
5.根据权利要求1所述的一种多电机同步力控方法，其特征在于，还包括：
预设所述内反馈环路的控制参数。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种多电机同步力控方法，其特征在于，所述内反馈环路以第一预设频率进行更新，所述外反馈环路以第二预设频率进行更新，
所述第一预设频率大于所述第二预设频率。
7.根据权利要求6所述的一种多电机同步力控方法，其特征在于，所述内反馈环路设置有第一预设带宽，所述外反馈环路设置有第二预设带宽，
所述第一预设带宽大于所述第二预设带宽。
8.一种基于权利要求1-7任一所述的多电机同步力控方法的多电机同步力控系统，其特征在于，包括：
上台面；
底板，与所述上台面相对设置，且所述底板朝向所述上台面的一侧固定安装有若干个电机；
所述电机的内部设置有编码器，且所述电机的执行机构的活动端均通过弹簧与所述上台面连接；
所述弹簧的侧方均设置有用于测量所述弹簧形变量的位移传感器。
9.根据权利要求8所述的一种多电机同步力控系统，其特征在于，所述上台面的四角均设置有导向孔，所述底板的顶面四角均设置有与所述导向孔匹配的导向杆。
10.根据权利要求8所述的一种多电机同步力控系统，其特征在于，若干个电机均匀分布，且型号相同。
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