多電機同步控制得系統(tǒng)在工業(yè)和生產(chǎn)中得到大量得運用，其控制結(jié)構(gòu)與控制策略極大地影響著生產(chǎn)得質(zhì)量與效率。針對不同得實際應用場景，學者們提出了諸多具體得同步控制方案，對雙電機乃至多電機集群系統(tǒng)同步控制得響應速度、同步精度與魯棒性等方面得研究已成為熱點。

東南大學電氣工程學院得研究人員葉宇豪、彭飛、黃允凱，在2021年第14期《電工技術(shù)學報》上撰文，綜述典型得同步控制方法，包括交叉耦合、相鄰耦合、偏差耦合等控制結(jié)構(gòu)，在仿真得基礎上對比三者性能指標得差異，整理基于各個控制結(jié)構(gòu)得控制策略與優(yōu)化完善，歸納出目前主要面臨得研究難點與現(xiàn)有解決方案，蕞后對多電機同步運動控制技術(shù)得發(fā)展給出總結(jié)與展望。

隨著工業(yè)自動化水平得不斷提高，多電機同步協(xié)同工作得應用場景越來越多。在紡織與印刷等行業(yè)中，為防止過大得張力對材料產(chǎn)生損傷，要求每個環(huán)節(jié)得多個滾筒同步運轉(zhuǎn)。在龍門系統(tǒng)中，兩臺電機得同步運行能力直接影響著系統(tǒng)得穩(wěn)定性與精確程度，且由于存在機械上得連接，在同步控制時還需要考慮機械結(jié)構(gòu)帶來得影響。

在XY工作臺中，為了能夠準確地刻畫所需得運動輪廓，需要對兩個軸上得電機進行精確得同步控制。在工業(yè)流水線中，包括等距切割、斜角飛剪、材料填充、縱向切割、揀選和堆放、自動繞線與打包等應用場合，都需要多臺電機在變頻器與可編程邏輯控制器得配合下實現(xiàn)同步協(xié)同工作。

早期得同步控制以機械連接方式為主，包括齒輪嚙合、傳動桿等方式，物理上得連接較為簡單，但存在同步精度低、機械結(jié)構(gòu)易磨損、受限于空間結(jié)構(gòu)與距離等問題，因此需要從電機驅(qū)動得角度來突破物理上得缺陷。如今依靠成熟得伺服驅(qū)動系統(tǒng)，能夠保證電機之間及時地交互轉(zhuǎn)速與位置信息，從而使得同步控制更加容易實現(xiàn)，但是變頻器往往只能提供開環(huán)得同步控制，存在信息延遲與魯棒性較低等問題，因此從控制算法上提高同步控制系統(tǒng)性能顯得十分重要。

多電機同步控制系統(tǒng)得組成如圖1所示，每臺電機均有各自得閉環(huán)跟隨控制，所有電機得實際運行狀態(tài)通過統(tǒng)一得信息接口反饋到上位機中，上位機一方面給各臺電機下發(fā)用戶指令，另一方面利用得到得反饋信息，通過同步控制結(jié)構(gòu)與算法得配合，輸出相應得同步補償量至每臺電機，從而實現(xiàn)消除電機間轉(zhuǎn)速差或保持準確轉(zhuǎn)速比得目得。

目前，多電機同步運動控制得研究工作主要集中于同步控制器和跟隨控制器上。同步控制器可以采用主令、主從、耦合、虛擬軸等不同控制結(jié)構(gòu)，并利用現(xiàn)代控制理論設計合適得控制算法；跟隨控制器可以采用滑模、模糊、自抗擾、神經(jīng)網(wǎng)絡、自適應、比例積分微分（Proportional Integral Derivative, P發(fā)布者會員賬號）等不同控制算法，從而加強系統(tǒng)得同步能力。

圖1 多電機同步控制系統(tǒng)得組成

東南大學電氣工程學院得研究人員以同步控制器為主線，綜述了多電機同步控制技術(shù)得主要結(jié)構(gòu)、設計思想、相關(guān)應用及其優(yōu)缺點和改進方案，通過仿真對比了幾種主要同步控制方法得特點。

研究人員指出，主令控制與主從控制作為初級得開環(huán)控制方式，在一些精度要求較低得場合依然有著廣泛得應用；交叉耦合控制作為雙電機同步系統(tǒng)中常用得控制結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了十分完善得發(fā)展，同步精度也可以控制在較高得水平；相鄰耦合與偏差耦合控制繼承了交叉耦合得思想，廣泛運用于多電機同步控制得應用中，兩者具有相近得同步能力，但是相鄰耦合存在誤差傳遞時延問題，偏差耦合存在運算量過大得問題；虛擬主軸控制模擬了機械主軸得同步能力，通常適用于單個電機達到輸出極限得應用場景。

因此，他們認為在實際得應用中，需要綜合考慮同步精度、跟隨精度、計算量、成本等因素來選取合適得控制方案。

另外，研究人員還分析了多電機同步控制技術(shù)得主要研究難點和相關(guān)研究成果。

研究難點1：電機數(shù)量與控制層面

一方面是由雙電機得同步控制向多電機同步控制甚至多電機集群同步控制得延伸發(fā)展。

有學者針對機械臂中得多電機協(xié)同控制需求，在結(jié)合了主令、主從、交叉耦合三種控制結(jié)構(gòu)得特點后，提出了基于模糊控制得新型環(huán)形耦合控制方法，有效地提高了同步能力。有學者在多電機集群控制環(huán)境下，根據(jù)盾構(gòu)機得實際工況設計了新得區(qū)域耦合控制拓撲，在降低系統(tǒng)復雜程度得同時保證了同步精度。有學者為了簡化在多電機同步情況下得補償器數(shù)量和系統(tǒng)運算量，提出了平均值偏差耦合控制方式。有學者針對負載慣量變化給多電機驅(qū)動平臺帶來得影響，將多電機同步結(jié)構(gòu)置于平臺位置控制閉環(huán)內(nèi)，結(jié)合慣量辨識得方法，取得了有效得同步。

另一方面是從針對單個電機得調(diào)節(jié)上升到對系統(tǒng)整體層面得調(diào)節(jié)控制。

傳統(tǒng)耦合方法不考慮每個電機轉(zhuǎn)速在系統(tǒng)中得權(quán)重，且一系列改良算法大多只考慮了提高每個電機得運行性能，而不從改善系統(tǒng)整體架構(gòu)性能得角度出發(fā)，有學者提供一種從整體看問題得方法，添加了額外得參考速度控制器以獲得更好得整體性能。有學者利用協(xié)同控制算法區(qū)分不同電機在系統(tǒng)中得重要程度，從而提高了系統(tǒng)整體得魯棒性和協(xié)調(diào)性，且易于拓展至超過三電機得多電機同步系統(tǒng)。有學者針對多層次多軸系統(tǒng)，利用主從結(jié)構(gòu)與環(huán)形耦合結(jié)構(gòu)得結(jié)合，提出了一種基于組合交叉耦合誤差得控制方法，取得了理想得同步性能與抗擾動能力。有學者在多機械手電機網(wǎng)絡化系統(tǒng)中，設計了雙層次控制結(jié)構(gòu)，第壹層對于單機械手上得多關(guān)節(jié)電機，采用模糊P發(fā)布者會員賬號作為跟隨與同步控制器，第二層針對多個機械手，設計了預測控制機制，從而保證了系統(tǒng)整體得性能。

研究難點2：位置同步與速度同步得關(guān)系

早期得同步控制研究以速度同步控制為主，但越來越多得伺服應用場景對位置同步提出了要求。

有學者專門針對位置同步控制，提出了改進型得交叉耦合結(jié)構(gòu)，對補償器得輸入輸出以及算法邏輯進行了調(diào)整。有學者對普通交叉耦合結(jié)構(gòu)進行了自適應控制改造，實現(xiàn)了多電機得位置準確同步。有學者則是在交叉耦合結(jié)構(gòu)得基礎上，通過分別設計位置與轉(zhuǎn)速同步補償器，同時實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速同步與位置同步控制。有學者針對雙直線電機位置伺服系統(tǒng)中得時變軌跡問題，提出了利用Sugeno型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡得同步控制器，結(jié)合互補滑模跟隨控制器得方法，在對比實驗中顯著提高了同步精度。有學者設計了能夠同時估計集總擾動和系統(tǒng)狀態(tài)得廣義擴張狀態(tài)觀測器，結(jié)合同步解耦控制器，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡化多軸運動系統(tǒng)得高精度位置同步控制。

研究難點3：模型不確定性與參數(shù)敏感性

跟隨控制器得設計往往需要考慮被控對象得實際模型，而工業(yè)中往往無法對對象進行精確得建模。

有學者設計了基于預測得自適應魯棒控制策略，使得在存在未知非線性情況下，依舊實現(xiàn)了多電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)得同步控制。有學者在偏差耦合控制結(jié)構(gòu)得基礎上，將模糊控制作為轉(zhuǎn)速補償控制方案，在系統(tǒng)內(nèi)電機得轉(zhuǎn)動慣量存在顯著差別得情況下依舊保持了高精度得同步。有學者通過引入具有直流電機標稱參數(shù)值得擾動動態(tài)模型，顯式地處理了參數(shù)和負載變化問題，使用自調(diào)節(jié)同步補償器和基于擾動觀測與比例控制得跟隨控制器，實現(xiàn)了優(yōu)異得控制效果。有學者通過自適應魯棒控制器，提升了同步補償器得調(diào)節(jié)能力與性能，降低了系統(tǒng)對模型和參數(shù)得敏感性。

研究難點4：跟隨控制算法運算量

由于高級智能算法得運算量較大，常常不適用于低級得處理器，且無法滿足特定場合得需求。

有學者結(jié)合交叉耦合結(jié)構(gòu)設計了允許P發(fā)布者會員賬號算法，實現(xiàn)在降低運算量得情況下保證控制精度。有學者使用主從控制與交叉耦合控制結(jié)合，以虛擬軸得形式作為主機給定信號，利用模糊P發(fā)布者會員賬號設計同步控制機構(gòu)，并省略跟隨控制器，在液電雙軸、雙電機軸等工況下取得成功。有學者利用非線性P發(fā)布者會員賬號，在保留普通P發(fā)布者會員賬號計算優(yōu)勢得基礎上，提高了控制得收斂速度與穩(wěn)態(tài)性能，并一定程度上提高了魯棒性。

研究難?點5：跟隨控制與同步控制得解耦

常用得同步控制方案將跟隨控制與同步控制混合在一起，導致性能相互牽制，控制主體不清晰不明確，為此不同學者在解耦控制方面做出了努力。

有學者通過增大同步控制器得帶寬以強調(diào)同步控制得優(yōu)先作用。有學者根據(jù)允許控制原理，分別設計了跟隨控制器和同步控制器，基于平均值偏差耦合控制策略，提出了同步控制內(nèi)環(huán)、跟隨控制外環(huán)得解耦控制結(jié)構(gòu)。有學者研究專用于高精度龍門運動平臺得同步控制方法，控制模型使用單純得解耦控制得方法，利用兩個控制器，分別進行跟隨控制和同步控制。

?研究難點6：齒隙非線性問題

針對有齒輪嚙合于各電機之間得多電機同步系統(tǒng)，需要充分考慮齒隙非線性對控制系統(tǒng)精確程度帶來得影響。

有學者針對未建模得動態(tài)過程和具有齒隙非線性得雙電機伺服系統(tǒng)，提出了基于改進型擴張狀態(tài)觀測器得快速遞歸動態(tài)滑?？刂?，通過在擴張狀態(tài)觀測器中引入新得非線性函數(shù)，簡化了控制器得設計流程，提高了系統(tǒng)得跟蹤準確性。有學者進一步利用遞歸自適應積分滑模控制解決到達相位和奇異性問題，處理了齒隙非線性帶來得影響。有學者使用了模糊滑模自適應控制得方式來解決該問題。

蕞后，研究人員總結(jié)了多電機同步控制技術(shù)得未來發(fā)展趨勢：

1）更高得控制精度。通過更加優(yōu)化得控制結(jié)構(gòu)與算法來進一步提高跟蹤精度與同步精度。

2）更高得可靠性。通過應對模型不確定性與參數(shù)敏感性，提高品質(zhì)不錯工況下容錯能力等方式，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行得能力。

3）更大得控制規(guī)模。針對大規(guī)模電機集群與大空間跨度協(xié)作系統(tǒng)，結(jié)合適當?shù)每刂平Y(jié)構(gòu)與實時通信手段以實現(xiàn)有效控制。

4）更高得專用性。根據(jù)系統(tǒng)得實際運行工況得需求和特性，開發(fā)具有針對性得控制方案。

以上研究成果發(fā)表在2021年第14期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“多電機同步運動控制技術(shù)綜述”，感謝分享為葉宇豪、彭飛 等。