多电机同步控制(2)

速度，多次查看并记录下这些数值。通过对这些数据的分析，反复的调整控制参数，直到满意为止。对最终控制结果的分析表明，主电机速度的调整精度和从电机跟踪的精度都能达到期望的水平。

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第一章 多电机同步控制方案及硬件电路

本章主要对目前多电机同步的两种基本控制结构以及直流电机PWM调速的发展概况和原理做了一些介绍和分析，确定了本系统两台直流电机的主从式同步控制结构，给出了直流电机的驱动电路和速度反馈电路，并对控制器C8051F040单片机的优点作了介绍。

1.1 多电机同步控制结构

在工业生产中，传动控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常有多个轴需要传动控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种传动系统中，目前存在的同步控制技术包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制、偏差耦合控制。这里对并行控制和主从控制这两种基本的控制方式作一下简单的介绍和比较，并选择了主从式的双电机同步控制结构。

1.1.1 并行控制

并行控制是一种基于同一定值控制的并联运行方式，这是一种最简单的同步控制方法。并行式适用于每个单独系统的控制目标基本一致的情况，要求伺服系统具有良好的速度稳定性。调速系统采用同一给定电压，其控制结构图如图1.1所示。采用并行运行方式的同步控制系统其优点在于启动和停止阶段系统的同步性能很好，但是由于整个系统相当于开环控制，当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间将会产生同步偏差，同步性能很差。

控制器 电机1 控制器 电机2

图1.1 并行控制系统结构图

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1.1.2 主从控制

主从控制是一种基于跟踪随动原理的串联运行方式。以双电机为例，主从同步控制系统的结构图如图1.2所示。

在这种控制方式中，主电机的输出转速作为从电机的转速参考值。由此可推断，任何加在主电机上的速度命令或是负载扰动都会被从电机反映并且跟随，但是任何从电机上受到的扰动却不会反馈回给主电机，也不会影响到其他的从电机。

主从式特点是从系统跟踪主系统的输出，大大增加了其控制策略的稳定性，但存在跟踪滞后。这种控制方式要求伺服系统具有良好的跟踪性能，主要应用在对速度或者位置的同步精度不是很高的工业生产中。

控制器 电机1 控制器 电机2

图1.2 主从同步控制结构图

本系统设计的电机同步控制为了提高抗干扰能力，在一台电机速度受到外部扰动或人为干扰时两台电机仍能保持速度的同步，采用了带速度反馈的主从式的控制结构，一台电机作为主电机，一台为从电机，主电机的输出即转速作为从电机的输入，主电机的输入根据需要设置。为了提高主从电机的抗干扰能力以及从电机对主电机的跟踪精度，在设计中尽可能地改善了数字控制电路。

1.2 PWM调速原理与发展概况

目前用大功率晶体管控制的PWM永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控

制领域应用最为广泛的驱动形式。这种装置能实现宽范围内的速度和位置控制，较常规的驱动方式，如晶体管线性放大驱动，电液驱动或晶闸管驱动，具有无可比拟的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高。PWM装置一跃成为现代伺服驱动系统

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的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视。

国外于上世纪60年代已开始注意PWM伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服系统，70年代中后期较为广泛地应用在中等功率的直流伺服系统上，到了80年代，PWM驱动在直流伺服系统中的应用已经普及。现在从国外引进的高精度伺服系统大都采用PWM伺服系统，各工业先进国家竞相发展PWM伺服机构。

国内一些高校，研究所和工厂在上世纪70年代末相继开展了PWM系统的研究，在一定范围内达到了工业推广水平，应用于数控机床，精密机床的进给，机器人驱动装置及精密速度控制器中，也用于军用雷达天线驱动，火炮和导弹发射架驱动等快速跟踪高精度伺服系统中。但由于受到能制造的大功率晶体管的电流及电压等级的限制，国内仅能做到几十瓦到几十千瓦，电压达到220伏。

PWM驱动原理是就是直流斩波原理，利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源。按一个固定的频率来接通和关断，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电动机电枢上的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。

PWM输出波形如图1.3所示，周期为T，一个周期内的导通时间为t，则加在电机两端的平均电压为：

U?Vcc*t/T?αVcc （1-1） 其中，α= t /T称为占空比，Vcc为电源电压，本电路中采用12伏。

图1.3 PWM原理图

直流电机的转速与电机两端电压成正比，而电机两端的平均电压与控制波形的占空比成正比，占空比越大，电机转得越快，当占空比为1时，加在电机两端的平均电压最大，电机转速也就最大。

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1.3 直流电机驱动电路

直流电机PWM驱动电路使用最广泛的就是单极性H型桥式电路，这种驱动电路可以很方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动这四种电机运行状态。

单极性H型桥式驱动电路结构图如图1.4所示，它由4个开关管和4个续流二极管组成，采用单电源供电。当电动机正转时，V1开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V2开关管则受PWM反向控制信号控制，V3保持常闭，V4保持常开。当电动机反转时，V3开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V4开关管则受PWM反相控制信号控制，V1保持常闭，V2保持常开。

图1.4 单极性H型桥式驱动电路

当电机在较大负载下正转时，电机两端平均电压U大于感应电动势E。在每个PWM周期的导通区间，V1导通，V2截止，电流经V1、V4从A到B流过电枢绕组。在每个PWM周期的关断区间，V2导通，V1截止，电源断开，在自感应电动势的作用下，经二极管VD2和开关管V4进行续流，使电枢中仍然有电流流过，方向是从A到B，这时，由于二极管VD2的箝位作用，V2实际不能导通。

当电动机在进行减速运行时，平均电压U小于感应电动势E。在每个PWM周期的导通区间，在感应电动势和自感应电动势的共同作用下，电流经二极管VD4、VD1流向电源，方向是从B到A，电动机处于再生制动状态。在每个PWM周期的关断区间，V2导通，V1截止，在感应电动势的作用下，经开关管V2和二极管VD4仍然是从B到A流过绕组，

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