隨著工業自動化水平的不斷提高，多電機同步協同工作的應用場景越來越多。在紡織與印刷等行業中，為防止過大的張力對材料產生損傷，要求每個環節的多個滾筒同步運轉。在龍門系統中，兩臺電機的同步運行能力直接影響著系統的穩定性與精確程度，且由于存在機械上的連接，在同步控制時還需要考慮機械結構帶來的影響。

在XY工作臺中，為了能夠準確地刻畫所需的運動輪廓，需要對兩個軸上的電機進行精確的同步控制。在工業流水線中，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的配合下實現同步協同工作。

早期的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，物理上的連接較為簡單，但存在同步精度低、機械結構易磨損、受限于空間結構與距離等問題，因此需要從電機驅動的角度來突破物理上的缺陷。如今依靠成熟的伺服驅動系統，能夠保證電機之間及時地交互轉速與位置信息，從而使得同步控制更加容易實現，但是變頻器往往只能提供開環的同步控制，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性能顯得十分重要。

多電機同步控制系統的組成如圖1所示，每臺電機均有各自的閉環跟隨控制，所有電機的實際運行狀態通過統一的信息接口反饋到上位機中，上位機一方面給各臺電機下發用戶指令，另一方面利用得到的反饋信息，通過同步控制結構與算法的配合，輸出相應的同步補償量至每臺電機，從而實現消除電機間轉速差或保持準確轉速比的目的。

目前，多電機同步運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構，并利用現代控制理論設計合適的控制算法；跟隨控制器可以采用滑模、模糊、自抗擾、神經網絡、自適應、比例積分微分（Proportional Integral Derivative, PID）等不同控制算法，從而加強系統的同步能力。

圖1 多電機同步控制系統的組成

東南大學電氣工程學院的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的主要結構、設計思想、相關應用及其優缺點和改進方案，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控制方式，在一些精度要求較低的場合依然有著廣泛的應用；交叉耦合控制作為雙電機同步系統中常用的控制結構，已經得到了十分完善的發展，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，廣泛運用于多電機同步控制的應用中，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，偏差耦合存在運算量過大的問題；虛擬主軸控制模擬了機械主軸的同步能力，通常適用于單個電機達到輸出極限的應用場景。

因此，他們認為在實際的應用中，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的控制方案。

另外，研究人員還分析了多電機同步控制技術的主要研究難點和相關研究成果。

研究難點1：電機數量與控制層面

一方面是由雙電機的同步控制向多電機同步控制甚至多電機集群同步控制的延伸發展。

有學者針對機械臂中的多電機協同控制需求，在結合了主令、主從、交叉耦合三種控制結構的特點后，提出了基于模糊控制的新型環形耦合控制方法，有效地提高了同步能力。有學者在多電機集群控制環境下，根據盾構機的實際工況設計了新的區域耦合控制拓撲，在降低系統復雜程度的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的補償器數量和系統運算量，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動平臺帶來的影響，將多電機同步結構置于平臺位置控制閉環內，結合慣量辨識的方法，取得了有效的同步。

另一方面是從針對單個電機的調節上升到對系統整體層面的調節控制。

傳統耦合方法不考慮每個電機轉速在系統中的權重，且一系列改良算法大多只考慮了提高每個電機的運行性能，而不從改善系統整體架構性能的角度出發，有學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。有學者利用協同控制算法區分不同電機在系統中的重要程度，從而提高了系統整體的魯棒性和協調性，且易于拓展至超過三電機的多電機同步系統。有學者針對多層次多軸系統，利用主從結構與環形耦合結構的結合，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。有學者在多機械手電機網絡化系統中，設計了雙層次控制結構，第一層對于單機械手上的多關節電機，采用模糊PID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，從而保證了系統整體的性能。

研究難點2：位置同步與速度同步的關系

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，提出了改進型的交叉耦合結構，對補償器的輸入輸出以及算法邏輯進行了調整。有學者對普通交叉耦合結構進行了自適應控制改造，實現了多電機的位置準確同步。有學者則是在交叉耦合結構的基礎上，通過分別設計位置與轉速同步補償器，同時實現了轉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中的時變軌跡問題，提出了利用Sugeno型模糊神經網絡的同步控制器，結合互補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。有學者設計了能夠同時估計集總擾動和系統狀態的廣義擴張狀態觀測器，結合同步解耦控制器，實現了對網絡化多軸運動系統的高精度位置同步控制。

研究難點3：模型不確定性與參數敏感性

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

有學者設計了基于預測的自適應魯棒控制策略，使得在存在未知非線性情況下，依舊實現了多電機伺服驅動系統的同步控制。有學者在偏差耦合控制結構的基礎上，將模糊控制作為轉速補償控制方案，在系統內電機的轉動慣量存在顯著差別的情況下依舊保持了高精度的同步。有學者通過引入具有直流電機標稱參數值的擾動動態模型，顯式地處理了參數和負載變化問題，使用自調節同步補償器和基于擾動觀測與比例控制的跟隨控制器，實現了優異的控制效果。有學者通過自適應魯棒控制器，提升了同步補償器的調節能力與性能，降低了系統對模型和參數的敏感性。

研究難點4：跟隨控制算法運算量

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

有學者結合交叉耦合結構設計了最優PID算法，實現在降低運算量的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合，以虛擬軸的形式作為主機給定信號，利用模糊PID設計同步控制機構，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PID，在保留普通PID計算優勢的基礎上，提高了控制的收斂速度與穩態性能，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的帶寬以強調同步控制的優先作用。有學者根據最優控制原理，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，提出了同步控制內環、跟隨控制外環的解耦控制結構。有學者研究專用于高精度龍門運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的多電機同步系統，需要充分考慮齒隙非線性對控制系統精確程度帶來的影響。

有學者針對未建模的動態過程和具有齒隙非線性的雙電機伺服系統，提出了基于改進型擴張狀態觀測器的快速遞歸動態滑模控制，通過在擴張狀態觀測器中引入新的非線性函數，簡化了控制器的設計流程，提高了系統的跟蹤準確性。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的影響。有學者使用了模糊滑模自適應控制的方式來解決該問題。

最后，研究人員總結了多電機同步控制技術的未來發展趨勢：

1）更高的控制精度。通過更加優化的控制結構與算法來進一步提高跟蹤精度與同步精度。

2）更高的可靠性。通過應對模型不確定性與參數敏感性，提高極端工況下容錯能力等方式，確保系統穩定運行的能力。

3）更大的控制規模。針對大規模電機集群與大空間跨度協作系統，結合適當的控制結構與實時通信手段以實現有效控制。

4）更高的專用性。根據系統的實際運行工況的需求和特性，開發具有針對性的控制方案。

以上研究成果發表在2021年第14期《電工技術學報》，論文標題為“多電機同步運動控制技術綜述”，作者為葉宇豪、彭飛 等。