1、1基于改进型偏差耦合结构的多电机同步控制摘要：针对现有的多电机同步控制方案难以满足高精度控制的要求和不能实现比例同步控制的局限性，提出一种带 PI 补偿控制的改进型偏差耦合控制结构，可适用于多电机完全同步和比例同步控制.针对永磁同步电动机非线性和强耦合特性，设计了自适应模糊滑模变结构控制器来实现永磁同步电动机的跟踪控制.建立了 4 台永磁同步电动机的同步控制仿真模型，仿真实验表明，所提出的多电机同步控制结构相对于带固定增益补偿的控制结构具有更高的同步控制精度.与 PID 和常规滑模控制算法相比，自适应模糊滑模控制策略具有更高的同步稳定性和更强的鲁棒性. 关键词：多电机同步控制；偏差耦合控制；P
2、I 补偿器；滑模控制 中图分类号：TH165.3 文献标识码：A 目前，多电机同步控制技术已广泛应用于造纸、印染、纺织以及机械加工等工业制造领域.多电机同步控制结构和控制算法不仅是实现高精度同步控制的关键，同时也直接影响着系统的可靠性和产品制造的质量. 同步控制根据控制参数不同可分为速度同步、位置同步和相位同步等；按照控制参数数值不同可分为完全同步控制和比例同步控制，最常见的应用是速度完全同步控制，如大型龙门吊车，需要控制两台电机以相同的速度驱动负载.而在有些场合，需要使各电机的速度保持一定的比例关系来驱动负载，如超高速卷接机，为了保证各鼓轮在单位时间内烟2支的传输量相等，各交接处鼓轮的线速度
3、应相等，因此要求各鼓轮的转速严格保持一定的比例关系.本文重点研究具有速度完全同步和比例同步要求的多电机同步控制结构和控制策略. 常用的多电机同步控制结构有主从式、交叉耦合式和偏差耦合式等.相邻耦合1控制结构仅考虑相邻两电机的状态，当某台电机受到扰动产生速度波动时，只能通过其相邻电机逐个传递给其他电机，这将导致一定的控制时延从而造成较大的同步误差，因此在实际工程应用中受到了很大的限制.通过对交叉耦合控制结构的改进，PerezPinal 等2提出了适用于多电机的偏差耦合控制结构，其控制效果有了质的变化，克服了其他控制策略的缺点，具有很好的同步性能.但是如何根据各个电机拖动子系统的负载变化以及干扰等
4、因素实时调节速度补偿值是实现偏差耦合控制的关键.文献3-5 采用固定增益速度补偿器实现偏差耦合控制，该算法虽结构简单，但因其补偿器只考虑了电机的转动惯量对同步性能的影响，当负载变化大时，系统波动较大，甚至会导致系统不稳定.为此，本文提出基于 PI 补偿器的偏差耦合控制结构可综合考虑电机参数、负载波动以及扰动等因素造成的速度偏差，实时修正速度补偿值，从而获得更高的同步控制精度. 永磁同步电动机（PMSM） 具有动态响应快、效率高、可靠性高等优点，非常适合应用于高性能伺服系统，在多电机同步控制系统中也被广泛采用，但是 PMSM 伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性时变系统，一般的控制算法难以达到令
5、人满意的效果.文献6采用模糊 PID 控制算法来实现多电机系统的同步控制，虽对多输入多输出、时变及滞后等复3杂系统都能进行控制，但模糊控制规则太多且过于依赖操作者的经验，参数整定困难，无自学习能力，其应用范围受到较大的局限.文献7采用神经网络控制算法实现多电机的同步控制，神经网络控制虽具有自学习和自适应能力，但计算复杂且实效性较差.针对不确定非线性控制系统，滑模变结构控制是一种较为有效的跟踪控制方法8，它具有响应速度快、控制精度高、鲁棒性强、算法简单、易于在线实现等许多优点.本文从实际工程应用角度出发，结合滑模变结构控制和模糊控制方法，设计了基于切换增益自适应调节的模糊滑模控制器， 并采用带
6、PI 补偿控制的偏差耦合控制结构，对 4 台永磁同步电动机进行同步控制，仿真结果证明了该控制结构和控制策略的可行性和有效性. 1 改进型偏差耦合控制结构设计 偏差耦合控制是利用各个电机系统之间的阻尼系数关系在速度反馈信号中添加各电机的相对速度信号，根据每台电机的工作状态动态地在各电机之间分配速度补偿信号，从而达到很好的同步性能.传统的偏差耦合控制结构只能实现多电机的完全同步控制，而不能实现多电机的比例同步控制.针对这一问题，本文对传统的偏差耦合控制结构做了改进，以实现多电机的比例同步控制，以 3 台电机为例，改进型的偏差耦合控制结构示意图如图 1 所示. 固定增益速度补偿器只考虑了电机的转动惯
7、量，当负载变化较大时，因电机特性参数和机电时间常速的不同，导致速度波动大，且消除速度波动的时间长，这也造成多电机间速度不同步，即出现同步误差.对于每一台电机而言，其他任意一台电机速度的波动都是一种干扰，而这种干4扰是可测且经常变化的，故可通过引入前馈作用实时消除干扰对各电机驱动子系统输出的不良影响，很好地提高系统的控制品质.本文采用 PI控制器代替固定增益，实现电机的前馈控制，其结构如图 3 所示.干扰一旦出现，在被控制量发生变化前，PI 调节器就产生控制作用，即直接根据检测到的其他电机的速度按一定规律快速消除电机之间的跟随误差，使其稳定收敛于零，从而保证系统具有优良的同步性能的同时，使系统获
8、得更好的动态和静态性能. 2 模糊滑模控制器设计 由于永磁同步电动机是一个多变量、强耦合和非线性的复杂系统，一般的控制方法难以达到令人满意的调速性能，而滑模控制（SMC）能够克服复杂系统的不确定性，对干扰和未建模动态有很强的鲁棒性，非常适合作为一种不确定系统的鲁棒控制器.但是普通的滑模控制会存在抖振现象，所以必须采取降抖振措拖才能应用于实际.本文将模糊控制和变结构控制相结合，设计模糊滑模控制器，采用模糊控制自适应调节引起滑模抖振的增益系数以削弱系统抖振，用滑模控制确保系统的稳定性，它不仅保持了模糊控制不依赖系统模型的优点，同时还可在保证控制精度的前提下减小滑模控制的抖振，实现对永磁同步电机速度的鲁棒控制. 2.1 基于比例切换函数的 SMC 控制器设计 文献9提出了基于比例切换函数的滑模控制方法，对永磁同步电动机实现了较好的速度控制.本文将该方法应用到多永磁同步电动机的速度同步控制中，并将其与所设计的模糊滑模控制方法进行仿真对比.
