隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，多電機(jī)同步協(xié)同工作的應(yīng)用場景越來越多。在紡織與印刷等行業(yè)中，為防止過大的張力對材料產(chǎn)生損傷，要求每個環(huán)節(jié)的多個滾筒同步運(yùn)轉(zhuǎn)。在龍門系統(tǒng)中，兩臺電機(jī)的同步運(yùn)行能力直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確程度，且由于存在機(jī)械上的連接，在同步控制時還需要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的影響。

在XY工作臺中，為了能夠準(zhǔn)確地刻畫所需的運(yùn)動輪廓，需要對兩個軸上的電機(jī)進(jìn)行精確的同步控制。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(yīng)用場合，都需要多臺電機(jī)在變頻器與可編程邏輯控制器的配合下實現(xiàn)同步協(xié)同工作。

早期的同步控制以機(jī)械連接方式為主，包括齒輪嚙合、傳動桿等方式，物理上的連接較為簡單，但存在同步精度低、機(jī)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(jī)驅(qū)動的角度來突破物理上的缺陷。如今依靠成熟的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，能夠保證電機(jī)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)的同步控制，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(jī)同步控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，每臺電機(jī)均有各自的閉環(huán)跟隨控制，所有電機(jī)的實際運(yùn)行狀態(tài)通過統(tǒng)一的信息接口反饋到上位機(jī)中，上位機(jī)一方面給各臺電機(jī)下發(fā)用戶指令，另一方面利用得到的反饋信息，通過同步控制結(jié)構(gòu)與算法的配合，輸出相應(yīng)的同步補(bǔ)償量至每臺電機(jī)，從而實現(xiàn)消除電機(jī)間轉(zhuǎn)速差或保持準(zhǔn)確轉(zhuǎn)速比的目的。

目前，多電機(jī)同步運(yùn)動控制的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(shè)計合適的控制算法；跟隨控制器可以采用滑模、模糊、自抗擾、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、比例積分微分（Proportional Integral Derivative, PID）等不同控制算法，從而加強(qiáng)系統(tǒng)的同步能力。

圖1 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的組成

東南大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員以同步控制器為主線，綜述了多電機(jī)同步控制技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)、設(shè)計思想、相關(guān)應(yīng)用及其優(yōu)缺點和改進(jìn)方案，通過仿真對比了幾種主要同步控制方法的特點。

研究人員指出，主令控制與主從控制作為初級的開環(huán)控制方式，在一些精度要求較低的場合依然有著廣泛的應(yīng)用；交叉耦合控制作為雙電機(jī)同步系統(tǒng)中常用的控制結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了十分完善的發(fā)展，同步精度也可以控制在較高的水平；相鄰耦合與偏差耦合控制繼承了交叉耦合的思想，廣泛運(yùn)用于多電機(jī)同步控制的應(yīng)用中，兩者具有相近的同步能力，但是相鄰耦合存在誤差傳遞時延問題，偏差耦合存在運(yùn)算量過大的問題；虛擬主軸控制模擬了機(jī)械主軸的同步能力，通常適用于單個電機(jī)達(dá)到輸出極限的應(yīng)用場景。

因此，他們認(rèn)為在實際的應(yīng)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的控制方案。

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

研究難點1：電機(jī)數(shù)量與控制層面

一方面是由雙電機(jī)的同步控制向多電機(jī)同步控制甚至多電機(jī)集群同步控制的延伸發(fā)展。

有學(xué)者針對機(jī)械臂中的多電機(jī)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)的特點后，提出了基于模糊控制的新型環(huán)形耦合控制方法，有效地提高了同步能力。有學(xué)者在多電機(jī)集群控制環(huán)境下，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的實際工況設(shè)計了新的區(qū)域耦合控制拓?fù)?，在降低系統(tǒng)復(fù)雜程度的同時保證了同步精度。有學(xué)者為了簡化在多電機(jī)同步情況下的補(bǔ)償器數(shù)量和系統(tǒng)運(yùn)算量，提出了平均值偏差耦合控制方式。有學(xué)者針對負(fù)載慣量變化給多電機(jī)驅(qū)動平臺帶來的影響，將多電機(jī)同步結(jié)構(gòu)置于平臺位置控制閉環(huán)內(nèi)，結(jié)合慣量辨識的方法，取得了有效的同步。

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

傳統(tǒng)耦合方法不考慮每個電機(jī)轉(zhuǎn)速在系統(tǒng)中的權(quán)重，且一系列改良算法大多只考慮了提高每個電機(jī)的運(yùn)行性能，而不從改善系統(tǒng)整體架構(gòu)性能的角度出發(fā)，有學(xué)者提供一種從整體看問題的方法，添加了額外的參考速度控制器以獲得更好的整體性能。有學(xué)者利用協(xié)同控制算法區(qū)分不同電機(jī)在系統(tǒng)中的重要程度，從而提高了系統(tǒng)整體的魯棒性和協(xié)調(diào)性，且易于拓展至超過三電機(jī)的多電機(jī)同步系統(tǒng)。有學(xué)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)的結(jié)合，提出了一種基于組合交叉耦合誤差的控制方法，取得了理想的同步性能與抗擾動能力。有學(xué)者在多機(jī)械手電機(jī)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，設(shè)計了雙層次控制結(jié)構(gòu)，第一層對于單機(jī)械手上的多關(guān)節(jié)電機(jī)，采用模糊PID作為跟隨與同步控制器，第二層針對多個機(jī)械手，設(shè)計了預(yù)測控制機(jī)制，從而保證了系統(tǒng)整體的性能。

研究難點2：位置同步與速度同步的關(guān)系

早期的同步控制研究以速度同步控制為主，但越來越多的伺服應(yīng)用場景對位置同步提出了要求。

有學(xué)者專門針對位置同步控制，提出了改進(jìn)型的交叉耦合結(jié)構(gòu)，對補(bǔ)償器的輸入輸出以及算法邏輯進(jìn)行了調(diào)整。有學(xué)者對普通交叉耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自適應(yīng)控制改造，實現(xiàn)了多電機(jī)的位置準(zhǔn)確同步。有學(xué)者則是在交叉耦合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過分別設(shè)計位置與轉(zhuǎn)速同步補(bǔ)償器，同時實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速同步與位置同步控制。有學(xué)者針對雙直線電機(jī)位置伺服系統(tǒng)中的時變軌跡問題，提出了利用Sugeno型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步控制器，結(jié)合互補(bǔ)滑模跟隨控制器的方法，在對比實驗中顯著提高了同步精度。有學(xué)者設(shè)計了能夠同時估計集總擾動和系統(tǒng)狀態(tài)的廣義擴(kuò)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(luò)化多軸運(yùn)動系統(tǒng)的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

跟隨控制器的設(shè)計往往需要考慮被控對象的實際模型，而工業(yè)中往往無法對對象進(jìn)行精確的建模。

有學(xué)者設(shè)計了基于預(yù)測的自適應(yīng)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(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制。有學(xué)者在偏差耦合控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將模糊控制作為轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制方案，在系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量存在顯著差別的情況下依舊保持了高精度的同步。有學(xué)者通過引入具有直流電機(jī)標(biāo)稱參數(shù)值的擾動動態(tài)模型，顯式地處理了參數(shù)和負(fù)載變化問題，使用自調(diào)節(jié)同步補(bǔ)償器和基于擾動觀測與比例控制的跟隨控制器，實現(xiàn)了優(yōu)異的控制效果。有學(xué)者通過自適應(yīng)魯棒控制器，提升了同步補(bǔ)償器的調(diào)節(jié)能力與性能，降低了系統(tǒng)對模型和參數(shù)的敏感性。

研究難點4：跟隨控制算法運(yùn)算量

由于高級智能算法的運(yùn)算量較大，常常不適用于低級的處理器，且無法滿足特定場合的需求。

有學(xué)者結(jié)合交叉耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計了最優(yōu)PID算法，實現(xiàn)在降低運(yùn)算量的情況下保證控制精度。有學(xué)者使用主從控制與交叉耦合控制結(jié)合，以虛擬軸的形式作為主機(jī)給定信號，利用模糊PID設(shè)計同步控制機(jī)構(gòu)，并省略跟隨控制器，在液電雙軸、雙電機(jī)軸等工況下取得成功。有學(xué)者利用非線性PID，在保留普通PID計算優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提高了控制的收斂速度與穩(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的解耦

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

有學(xué)者通過增大同步控制器的帶寬以強(qiáng)調(diào)同步控制的優(yōu)先作用。有學(xué)者根據(jù)最優(yōu)控制原理，分別設(shè)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)的解耦控制結(jié)構(gòu)。有學(xué)者研究專用于高精度龍門運(yùn)動平臺的同步控制方法，控制模型使用單純的解耦控制的方法，利用兩個控制器，分別進(jìn)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(jī)之間的多電機(jī)同步系統(tǒng)，需要充分考慮齒隙非線性對控制系統(tǒng)精確程度帶來的影響。

有學(xué)者針對未建模的動態(tài)過程和具有齒隙非線性的雙電機(jī)伺服系統(tǒng)，提出了基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的快速遞歸動態(tài)滑?？刂?，通過在擴(kuò)張狀態(tài)觀測器中引入新的非線性函數(shù)，簡化了控制器的設(shè)計流程，提高了系統(tǒng)的跟蹤準(zhǔn)確性。有學(xué)者進(jìn)一步利用遞歸自適應(yīng)積分滑?？刂平鉀Q到達(dá)相位和奇異性問題，處理了齒隙非線性帶來的影響。有學(xué)者使用了模糊滑模自適應(yīng)控制的方式來解決該問題。

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

1）更高的控制精度。通過更加優(yōu)化的控制結(jié)構(gòu)與算法來進(jìn)一步提高跟蹤精度與同步精度。

2）更高的可靠性。通過應(yīng)對模型不確定性與參數(shù)敏感性，提高極端工況下容錯能力等方式，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

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

4）更高的專用性。根據(jù)系統(tǒng)的實際運(yùn)行工況的需求和特性，開發(fā)具有針對性的控制方案。

以上研究成果發(fā)表在2021年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“多電機(jī)同步運(yùn)動控制技術(shù)綜述”，作者為葉宇豪、彭飛 等。