电机协同控制系统——在电机控制技术领域的优势和应用

1、背景

       随着科学技术的发展，现代工业设备的运行对运动控制技术提出了更高的要求。现代化的工业现场，例如数控机床加工、机器人关节协调，常常需要多个电机协同工作。这就决定了现代控制系统不但需要追求单轴运动控制的位置和速度精度，而且需要提高多轴运动的控制精度和协同工作能力。为了提高产品质量，保证生产过程安全，控制器的位置精度和速度精度必须足够高，控制器的稳定性必须足够可靠，以满足工业生产或者其他具体应用的需求。因此，一种可靠的多电机协同控制系统是现代工业控制所必须的。

2、多电机协同控制实现的技术难点

难点1：电机数量与控制

层面一方面是由双电机的同步控制向多电机同步控制甚至多电机集群同步控制的延伸发展。另一方面是从针对单个电机的调节上升到对系统整体层面的调节控制。

难点2：位置同步与速度同步的关系

早期的同步控制研究以速度同步控制为主，但越来越多的伺服应用场景对位置同步提出了要求。

难点3：跟随控制算法运算量

由于高级智能算法的运算量较大，常常不适用于低级的处理器，且无法满足特定场合的需求。

解决方案

       中科深谷根据系统的实际运行工况的需求和特性，基于CSPACE实时仿真控制系统开发具有针对性的协同控制技术方案，助力陕西某科研院所研发了多电机协同控制系统。

方案框图

一、基于CSPACE实时仿真控制系统开发

1、CSPACE-RT实时仿真机

       采用基于模型设计的方法，将仿真建模与实际研发产品结合，引入高可靠性的实时软硬件环境做技术保障，提供快速原型控制与硬件在环回路全套解决方案。针对不同的应用场景，提供多种类型实时仿真机。

CSPACE实时仿真控制系统

2、仿真管理软件CSPACE-LAB

       CSPACE-LAB：实时仿真控制系统管理软件，与MATLAB/Simulink软件无缝对接，配合CSPACE-RT实时仿真机，实现模型自动编译、快速部署、模型运行与监控等工作：

1.提供工程管理、模型管理、实时仿真机管理、模型编译、模型部署、数据监控、数据管理等功能模块；

2.提供自定义UI、模型内嵌、数据录制与回放、模型监控、数据表格等功能。

二、技术路线

       在多电机驱动系统中，首先，需要设定一个期望的信号（位置、速度、加速度）作为系统的输入。这一信号定义了系统整体希望达到的目标状态。

       其次，通过传感器实时监测每个电机的实际位置、速度等输出信号，并将这些实际输出与预先设定的期望信号进行比较，从而获得偏差信息。同时，各个电机之间通过建立的通信拓扑结构，交换各自的状态信息，如位置、速度和控制命令等。这个通信拓扑确保了每个电机能够及时了解其他电机的状态，从而进行更协调的响应和调整。

       然后，基于这些偏差信息，设计一个控制器，生成适当的控制信号并传递给执行器。执行器接收到控制信号后，会相应地调整电机的运行状态，使其逐步逼近期望的信号。

       最后，在这种闭环控制架构下，系统不断调整各电机的运行状态，使其实际运行状态与期望值保持一致。

       此方法不仅促进了电机之间的协调工作，还提高了系统的稳定性和响应速度，尤其在面对外界干扰和内部不确定性时，能够有效地进行自我调整和优化。

三、实验验证

        为了验证的多电机一致性控制设计方法是否有效，我们通过实验验证了该产品的可行性。给电机一个幅值为90度、频率为0.25Hz的正弦位置信号，对位置信号微分得到速度信号，对速度信号微分得到加速度信号，通过该控制方法所得到的位置、速度、误差与电流信号如下图所示：

通过实验图可以看出，通过该控制方法设计的多电机系统，各电机驱动系统状态都趋于了一致。

四、协同控制算法设计

多电机一致性控制DEMO控制律

4、协同控制应用案例

多电机协同控制，实现机器人的运动控制和力控制。

采用先进的传感器和算法，提高机器人的动态性和稳定性。

结合人工智能技术，实现机器人的智能化和自主化。

2、工业机器人

多电机协同控制可以提高工业机器人运动性能和灵活性。

3、移动机器人

多电机协同控制，实现多智能体的编队控制。

      目前，国内外关于多电机协同控制系统的研究大多数还停留在理论和计算机仿真层面。中科深谷以先进的科研设备（CSPACE实时仿真控制系统）和算法控制为核心技术，建立了协同控制平台，旨在设计一套实用可行、可靠性强的多电机协同控制实验平台，旨在推动多电机协同控制技术的广泛应用。

       中科深谷长期扎根于产业，聚焦人工智能与机器人核心器件研发与产业化，同时立足教育、深化产教融合，为企业及高校科研院所提供中高端智能装备、实验室建设、产学研合作、师资培训、专业建设、课程资源开发、创新创业等一体化服务。