雙電機(jī)同步控制的偏差耦合控制研究

傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)通常使用單根導(dǎo)線來控制單軸，但電機(jī)的輸出旋轉(zhuǎn)受到一定的限制。當(dāng)生產(chǎn)線需要很大的驅(qū)動(dòng)器輸出時(shí)，需要定制輸出對(duì)應(yīng)的矩陣矩陣和電機(jī)，這可以提高系統(tǒng)的成本增加。此外，大型輸出電機(jī)的制造工藝和性能受到很大影響，大型輸出電機(jī)的開發(fā)也受到了限制。針對(duì)以上問題解決方法是采用多個(gè)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制,但是多電機(jī)之間同步的好壞直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,因此多電機(jī)同步控制的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文建立了基于雙電機(jī)偏差耦合為基礎(chǔ)的兩種偏差控制算法的數(shù)學(xué)模型,即:對(duì)兩電機(jī)之間的偏差采用模糊PID控制和常規(guī)PID控制,并用Matlab仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了數(shù)字仿真。1電流環(huán)境質(zhì)量的設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示,它由電流環(huán)和速度環(huán)組成。在設(shè)計(jì)電流環(huán)和速度環(huán)時(shí)采用工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。并且從內(nèi)環(huán)開始,逐步向外環(huán)擴(kuò)大,一環(huán)一環(huán)地進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流環(huán)的設(shè)計(jì)在穩(wěn)態(tài)要求上,做到無靜差以獲得理想的堵轉(zhuǎn)特性;在動(dòng)態(tài)要求上,做到跟隨電流給定,超調(diào)量越小越好,在本文中,選用典型I型系統(tǒng)對(duì)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行無電流超調(diào)量設(shè)計(jì)。速度環(huán)的設(shè)計(jì)在穩(wěn)態(tài)時(shí)要求無靜差,在動(dòng)態(tài)過程中保證它克服負(fù)載擾動(dòng)的能力強(qiáng),同時(shí)要求動(dòng)態(tài)速降小,恢復(fù)時(shí)間短,從而要求速度環(huán)抗干擾性能越強(qiáng)越好,在這里把速度環(huán)設(shè)計(jì)成典型的II型系統(tǒng)。2雙電機(jī)同步規(guī)劃模型2.1傳統(tǒng)同步控制系統(tǒng)隨著近年來工業(yè)的發(fā)展,需要控制兩臺(tái)及其兩臺(tái)以上電機(jī)。保持多電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)常用的兩種方法:一種是機(jī)械方法,另一種是電方式。對(duì)于電方式的多臺(tái)電機(jī)協(xié)調(diào)控制的研究主要是深入到速度和力矩的雙重協(xié)調(diào)控制研究,它的研究成功將為軍事、航空以及一般工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域等需要統(tǒng)一動(dòng)作功能的多電機(jī)提供協(xié)調(diào)控制技術(shù)。目前存在的同步控制技術(shù)包括并行控制,主從控制,交叉耦合控制,虛擬總軸控制,偏差耦合控制(如圖2所示)等。采用并行控制,整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制,當(dāng)運(yùn)行過程中某一臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí),電機(jī)之間將會(huì)產(chǎn)生同步偏差,同步性能很差。采用主從控制,任何從電機(jī)上受到的擾動(dòng)不能反饋到主電機(jī),也不會(huì)影響其他電機(jī),當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),電機(jī)之間的同步精度不能夠得到保證。交叉耦合控制對(duì)于雙電機(jī)同步來說它等同于偏差耦合控制,但它不適合兩個(gè)電機(jī)以上的電機(jī)同步控制。虛擬總軸控制系統(tǒng)在啟動(dòng),負(fù)載發(fā)生擾動(dòng),停機(jī)的過程中,軸之間會(huì)產(chǎn)生不同步的現(xiàn)象,并且在主參考值和每個(gè)軸之間會(huì)保持一個(gè)恒定的偏差。偏差耦合控制能夠克服其他幾種控制策略存在的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)很好的同步性能。因此本文采用偏差耦合控制策略對(duì)雙電機(jī)進(jìn)行同步控制它。偏差耦合的主要思想是將某一臺(tái)電機(jī)的速度反饋同其他電機(jī)的速度反饋分別作差,然后將得到的偏差相加作為該電機(jī)的速度補(bǔ)償信號(hào)。2.2pid控制器設(shè)計(jì)PID控制有很強(qiáng)的生命力,它對(duì)于大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性,而且算法原理簡明,參數(shù)物理意義明確,理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。因此針對(duì)系統(tǒng)中的抑制干擾特性這一方面的要求可以采用PID控制器。結(jié)合以上的電機(jī)雙閉環(huán)控制模型和偏差耦合控制,對(duì)兩臺(tái)電機(jī)反饋回來的速度差作差,再進(jìn)行PID調(diào)節(jié)作為當(dāng)負(fù)載有變化時(shí)的速度反饋額外補(bǔ)償。補(bǔ)償器的設(shè)定是電機(jī)1的偏差與電機(jī)2的偏差相減得到一個(gè)偏差值,進(jìn)行PID調(diào)節(jié),在對(duì)偏差反饋給電機(jī)時(shí),電機(jī)1是正反饋,而電機(jī)2是負(fù)反饋。2.3模糊pid控制器工作原理當(dāng)把圖3中陰影PID模塊換成圖4的模塊時(shí),雙電機(jī)偏差耦合PID控制系統(tǒng)就成了雙電機(jī)偏差耦合模糊PID控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)一般按系統(tǒng)偏差及偏差變化率來實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的控制。這里的偏差和偏差變化率為兩電機(jī)之間的速度差和速度差變化率。模糊PID控制器的主要作用是根據(jù)設(shè)定值和實(shí)測值的偏差調(diào)節(jié)被控量的輸入,從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速在要求的誤差范圍內(nèi),它包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個(gè)重要組成部分。DSP根據(jù)兩電機(jī)的之間的偏差以及當(dāng)前的偏差變化,對(duì)其先進(jìn)行量化,再根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,接著對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊,輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。此外,為了彌補(bǔ)一般模糊控制器分檔造成的階梯變化,系統(tǒng)中解模糊輸出的并非控制器的實(shí)際參數(shù),而是控制器參數(shù)的修正量,因此需要加比例、積分、微分修正系數(shù),他們?yōu)閳D4中的kp3和ki3。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論在建立了基于偏差耦合控制方式兩種不同控制算法的雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,本文利用Matlab對(duì)它們進(jìn)行了仿真。針對(duì)以上兩種系統(tǒng)進(jìn)行了一系列仿真實(shí)驗(yàn)。本文采用Maxon公司生產(chǎn)的EC40型號(hào)為118895的無刷直流電機(jī)在空載時(shí)進(jìn)行仿真,其參數(shù)為:額定電壓U=30V,額定電流I=5.24A,額定功率P=120W,相電阻R=0.518Ω,相電感L=0.132mH,轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km=24.6mNm/A,電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.255ms,機(jī)械時(shí)間常數(shù)Tm=7.3ms,速度常數(shù)1/Ce=389rpm/V,電流反饋系數(shù)β=5.73V/A,速度反饋系數(shù)α=1/389Vmpr,電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.314ms,轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=6.28ms,脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)Ks=1,脈寬調(diào)制器和PWM變換器的開關(guān)周期Ts=12.5μs。所給速度為1000rpm,在0.2s時(shí)突給第一臺(tái)電機(jī)加2A電流相當(dāng)于49.2mNm的階躍擾動(dòng),圖5中a為采用偏差耦合PID控制時(shí)的兩臺(tái)電機(jī)速度響應(yīng)曲線,圖5中b為采用偏差耦合模糊PID控制時(shí)的兩臺(tái)電機(jī)速度響應(yīng)曲線。比較兩種仿真結(jié)果可以看到,采用偏差耦合模糊PID控制方法時(shí),系統(tǒng)的同步性能、抗干擾性能優(yōu)于采用偏差耦合PID控制方法時(shí)的性能。有了上述的仿真的結(jié)果,在已建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,研究兩臺(tái)無刷直流電機(jī)在空載的情況下,對(duì)第一臺(tái)電機(jī)突加49.2mNm負(fù)載擾動(dòng),分別采用常規(guī)PID補(bǔ)償器和模糊PID補(bǔ)償器時(shí)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行伺服同步控制。圖6中a為兩電機(jī)速度偏差采用常規(guī)PID時(shí)兩臺(tái)電機(jī)速度響應(yīng)曲線,圖6中b為兩電機(jī)速度偏差采用模糊PID時(shí)兩臺(tái)電機(jī)速度響應(yīng)曲線。從圖6的兩個(gè)圖形中進(jìn)行對(duì)比可知,兩電機(jī)的速度偏差采用模糊PID算法時(shí)要比采用常規(guī)PID算法時(shí)獲得更好的同步控制精度,增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比本文系統(tǒng)基于偏差