多电机同步控制技术的研究与应用

1. 引言

　　工业技术的进步推动着航空、军事、机械制造等行业对多电机协调控制的需求日益增长。在众多需要多个电机协同工作的场景中，传统的单电机控制模式因输出转矩限制，无法满足大功率驱动需求，导致系统成本上升。同时，高功率电机的研发也受到半导体功率器件的限制。此外，电机在保持转速同步的同时，还需确保机械传动精度。为此，多电机同步控制技术的研究显得尤为关键，其对于提升生产效率和产品质量具有深远影响。本研究构建了基于SVPWM变频调速的双电机偏差耦合控制算法仿真模型，并利用Matlab7.1软件进行仿真分析。

　　2. 空间矢量脉宽调制

　　PWM技术是变频器抑制谐波的关键手段。正弦波PWM技术虽然广泛应用，但存在直流电压利用率低、低速转矩脉动、载波频率过高导致的开关损耗等问题。皖南电机空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术由德国学者VanDer-Broeck HW提出，有效解决了交流电动机转矩控制的高性能问题。其原理是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制，通过磁场定向坐标将定子电流矢量分解为励磁电流分量和转矩电流分量，分别进行调节，实现转矩控制。SVPWM将逆变器和交流电动机视为整体，通过产生圆形旋转磁场，减少转矩脉动。

　　3. 基于Matlab的双电机同步控制模型

　　3.1 双电机同步控制策略

　　现有的同步控制技术包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制和偏差耦合控制。皖南电机价格表并行控制和主从控制属于非交叉耦合同步控制，负载变化时同步精度难以保证。交叉耦合控制通过比较电机速度或位置信号，得到差值作为附加反馈信号，但适用于两个电机同步控制。安徽皖南电机偏差耦合控制将电机速度反馈作差，得到偏差相加作为速度补偿信号，有效克服了上述控制策略的缺点，实现良好的同步性能。

　　3.2 偏差耦合PID控制系统

　　PID控制器因其强大的控制效果和鲁棒性，在抑制干扰特性方面表现突出。针对单电机控制，采用双闭环设计，通过SVPWM进行调速，确保系统稳定性。将两台电机反馈的转速差作差，通过PID调节作为负载变化时的转速反馈额外补偿。系统仿真模型如图2所示。

　　4. 系统仿真结果分析

　　选用交流永磁同步电机（PMSM）进行仿真实验。在Matlab7.1中，电机模型主要参数为：定子电阻Rs=0.0918Ω，定子电感Ld=Lq=0.000975H，转子磁场磁通λ=0.1688Wb，转动惯量J=0.003945kg·㎡，粘滞摩擦系数B=0.0004924N·m·s，极对数P=4。设定电机转速为400r/min，进行零负载启动。在t=0.05s时，给PMSM2突加20N·m的负载转矩。仿真结果显示，电机在启动后迅速达到稳定状态，PMSM2转速在负载变化后快速恢复稳定，转矩恒定在20N·m。PMSM1转速受到PMSM2负载变化影响，出现短暂下降后快速恢复稳定，转矩波动后迅速恢复稳定。说明基于SVPWM调速的PID双闭环控制系统具有较强鲁棒性，双电机间偏差耦合补偿策略在负载变化时具有良好的跟随性能。

　　5. 结束语

　　在偏差耦合控制策略的基础上，加入PID控制补偿器，使系统能够实现良好的同步控制。每台电机配备专门的控制器和速度补偿模块，通过SVPWM进行调速，并采用电流环与速度环的双闭环控制。仿真结果表明，基于SVPWM的PID双闭环系统具有超调量小、响应迅速、鲁棒性强等特点，加入偏差耦合控制策略的双电机控制系统具有良好的同步性。