2.6.2　多电动机刚性协同控制结构

当需要驱动大惯量、重负载对象时，多电动机需通过并联多点啮合的齿轮齿圈传动系统刚性耦合在一起，此时各电动机的理论速度是一致的，但由于齿轮传动系统空回的影响，电动机的实际负载取决于其与多电动机共同驱动的齿圈的相对运动。在重载应用场合，不当的控制策略容易导致各电动机载荷不均，甚至个别电动机过载导致停机。而当系统需要往复运动定位或者承受交变载荷时，传动空回将严重影响定位精度和系统稳定性。

1. 多电动机刚性连接力矩同步

对于需要多电动机协同出力的重载场合，如果直接沿用如图2-55所示的并联同步控制结构，则各电动机间转速的不同步势必会导致转速较高的电动机出力大，转速低的电动机出力小，甚至成为系统负载。因此，对于此类场合一般采用转矩主从控制结构，如图2-63所示，选择一台电动机作为主机工作在速度环来控制系统转速，其他电动机作为从机，其电流环与主机一样，参考主机速度环的输出，从机的转速自由调节从而跟随主机的力矩。由于电流环需要的计算频率较高，需要各控制器之间以极高的速度进行运算和通信，因此2.6.1节中的相邻交叉耦合方法并不适用于力矩同步控制。此外，由于从机需要通过间接的自适应的速度调节来跟踪主机的力矩，因此主机的速度环应适度放软，避免从机的速度出现剧烈变化进而影响系统的稳定性。

图2-63　多电动机转矩主从控制结构

2. 双电动机消隙控制

为了实现大惯量平台的驱动，电动机一般需要经过多级齿轮减速装置，其中的传动空回对于系统定位和往复运动具有严重的干扰。传统的机械消隙方法仅适用于精度要求不高的场合，对于负载和目标转速的变化适应能力差，因此目前广泛采用多电动机控制消隙。以双电动机消隙控制为例，该系统由两台电动机共同驱动负载，两台电动机的物理参数和减速器都是相同的，如图2-64所示。两台电动机分为主机和从机，二者保留各自的电流环，将电流环指令信号并联。主机的速度环保留，和电流环组成内环，从机的速度环断开。当其系统内部产生扰动时，电流反馈与速度反馈便能起到抑制干扰、稳定系统的作用。

图2-64　典型的双电动机消隙控制结构

为了消除齿隙，大小相等但方向相反的偏置电流被分别施加在两台电动机上。偏置电流产生的偏置力矩使大齿轮被两个小齿轮卡紧，无法自由转动。基于该原理，可以给系统电动机施加一个常偏置电流，使得电动机在启动或换向时保持预紧状态，齿轮齿隙便会大大减小甚至消除。但这种方法造成系统功率损耗，不经济。针对这个缺点，可以根据系统所处不同的运动状态来施加偏置电流，具体做法是通过速度控制器的输出或电流反馈大小来决定何时加入偏置力矩。此时，两台电动机的输出力矩与控制信号的关系如图2-65所示。在系统控制零时刻，即O点位置时，由于偏置电流的存在，两台电动机分别产生大小相等、方向相反的转矩Mo和-Mo。此时两个小齿轮在两个力矩作用下分别贴合大齿轮的不同侧面，使大齿轮无法转动，消除了齿轮间隙。随着控制信号的不断增大，如图中OA段，电动机1转矩从Mo处逐渐增大，电动机2转矩从-Mo处逐渐减小，当提供反向偏置力矩的电动机输出转矩降为零时（此时对应图中的A点），两电动机贴向大齿轮的同侧。此时若电动机控制信号继续增大，则两台电动机共同拖动负载转动，如图中AB段所示。按照偏置电流的特性，从B点到C点，偏置力矩逐渐减小至归零，两台电动机共同拖动齿轮转动。当控制信号反向作用时，系统按照CBAOA'B'C'的顺序，偏置力矩逐渐增大，电动机2的力矩逐渐减小并反向贴向齿轮异面，而电动机1保持转动方向不变。此后两台电动机回到初始位置，对应图中O点，电动机反向转动，这时电动机2提前贴合齿轮异面，齿轮便实现了无隙传动。

图2-65　变偏置力矩