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1、1多电机集群控制技术研究 摘要：本文主要介绍了目前多电机控制的现状和缺陷，提出了一种多电机集群控制的全新技术，并具体阐述多电机集群控制技术在混合动力液压挖掘机上的应用，以及通过对比得出多电机集群驱动控制技术性能可靠、成本低、体积小、重量轻、精确控制度高等优势，具有广大的推广前景和推广价值。关键词：多电机集群控制；混合动力液压挖掘机；集群控制；整合；控制命令字；主处理电路；缓存电路；协处理电路。1 前言在一些比较复杂的设备中，如智能机器人、自动装配流水线、混合动力汽车、混合动力液压挖掘机等，均会出现多种电机存在并协同工作的状况。目前国内外对多电机控制均是对每个电机采用独立的控制电路和驱动电路，这
2、样的控制方法电路冗余多，集成度不高，硬件成本偏高，所占体积大，重量重，且对电机的精确控制度不高。针对这些现状提出了多电机集群控制技术，对所有电机采用同一个控制电路，通过减少元器件来实现降低成本、减少 1体积和重量等的目的。2 多电机集群控制技术2.1 多电机集群控制硬件组成多电机集群驱动控制硬件由外围信号接收电路，主处理器电路，缓存电路，协处理器电路，电机驱动电路组成，多电机集群驱动控制硬件结构框图见图 1。图 1 多电机集群驱动控制硬件结构框图其中外围信号接收电路由三部分电路组成：A/D 转换电路可将外部的模拟控制信号直接转换成主处理电路所需的数字信号；CAN 总线收/ 发电路可将外部其他设
3、备传输来的电机控制信号转换成主处理电路所需的数字信号；电机反馈处理电路可将各电机的电流反馈和速度反馈转换成主处理电路所需的数字信号。主处理电路由主处理器、电容、电阻、晶振，I/O 接口芯片，看门2狗芯片、程序存储芯片等组成，主要支持主处理器根据程序正常运行。缓存电路选用可读写的RAM，有地址口，数据口，读/写口，片选口等，提供主处理电路写数据存储单元和协处理电路读数据存储单元。协处理电路由协处理器、电容、电阻、晶振，I/O 接口芯片，看门狗芯片、程序存储芯片等组成，主要支持协处理器根据程序正常运行。电机驱动电路由光耦，小功率驱动芯片，大功率驱动芯片等组成，主要实现强弱电隔离，功率放大和对电机的
4、驱动。 2.2 多电机集群控制实现过程主处理电路接收所有电机的控制信号和速度、电流反馈信号，分别进行相应的运算处理：对脉宽调速的直流电机，进行速度反馈和电流反馈的双闭环控制计算，算出每个脉冲周期的占空比，转换成固定周期内高/低电平持续时间；对变频调速的三相永磁电机，根据控制信号、速度和电流反馈的双闭环控制（三角波截取正弦波）计算，生成对应某频率的一个周期内 A、B、C三相桥式电路中六个功率开关管对应的所有导通/断开持续时间；对调节励磁电流控制发电电压/功率的发电机，根据控制信号、电压/功率反馈进行闭环计算，生成周期内控制励磁电流功率开关管的导通/断开持续时间（平均励磁电流） 。主处理器将上述这
5、些计算出的控制对象和控制时间存储在芯片内的寄存器中，采用同一个时钟基准进行从先到后的排序、整合，生成控制命令字。整合，就是将各个电机的单控制时间对应单控制对象合成为单控制时间对应多控制对象的计算方法。例如：最开始一个脉宽调速直流电机工作，脉冲频率 5KHZ（周期 200us） ，高电平100us，低电平 100us，这时，另一脉宽调速直流电机工作，脉冲频率 4KHZ（周期 250us） ，高电平 50us，低电平 200us，则将第二个电机的开始时间与第一电机的最新状态开始时间同步。整合成新的数据：第一电机高电平 100 us，第一电机低电平 第二电机高电平 50us，第一电机低电平 第二电机
6、低电平 50us，第一电机高电平 第二电机低电平 100us，第一电机低电平 第二电机低电平 50us，.三相电机变频调速的数据整合方法与直流电机脉宽调速整合方法相同，只是更加复杂，在这就不一一例举。主处理器在三种情况下会将控制命令字送入缓存电路：控制信号突变（生成控制命令字后） ；反馈突变（生成控制命令字后） ；完成一组控制命令字（每组控制命令字的个数依需要而定，通常将变频调速一个周期设为一组控制命令字） 。缓存电路分上下两个存储区，主处理器在将控制命令字组送入缓存电路之前，先检查协处理器当前读数据区域，如协处理器在读上半区时，则刷新下半区，如协处理器在读下半区时，则刷新上半区，刷新完成后通
7、知协处理器结束相应半区的读工作，改从另一半区的入口地址开始顺序下读。主处理器与协处理器的信息交换采用读端口和外部中断方式。协处理器读上半区时将端口置“1” ，读下半区时将端口置“0” ，主处理器只需读此端口状态便知道协处理器当前所读的是缓存电路的上半区还是下半区。主处理器通知协处理器采用外部中断方式，将主处理器的一个端口与协处理器的外部中断口相连，主处理器在此端口发出一下降沿信号，使协处理器产生中断。协处理器的工作就是不断读取缓存电路存储单元的内容，根据控制命令字第一部分控制对象内容，控制相对应的驱动电路导通/断开，将控制命令字第二部分的状态维持时间送入定时器，周而复始地重复上述操作。定时器设
8、定为中断方式，当中断请求时对下一个控制命令字进行同样操作。2.3 控制命令字3主处理电路与协处理电路之间数据传递的核心就是控制命令字，主处理电路计算生成控制命令字，写入缓存电路，协处理电路从缓存电路中读取控制命令字，分解执行相应操作。控制命令字分为两部分：控制对象和控制时间。第一部分是控制对象，每半个字节对应一个电机，所以第一部分所占字节数为电机数量加 1 除以 2 再取整。半个字节从“0000”到“1111”共 16 种状态，几乎涵盖所有电机的所有状态，可根据实际控制情况进行相应定义。如“0000”表示此控制命令字不控制相应电机，为“1111”表示控制相应电机处于发电状态，“1110”表示控
9、制相应电机脉宽调速为高电平， “1101” 表示控制相应电机脉宽调速为低电平，剩下的组合分别表示控制相应电机变频调速的 A，B，C 三相桥的导通状态。控制命令字第二部分是控制时间，又叫状态持续时间，占用 2 字节，表示此状态的维持时间，精度要求高的可扩展到 3，4 字节。控制命令字组成见图 2。图 2 控制命令字组成图3 多电机集群控制技术在混合动力液压挖掘机上的应用我厂研制的“863 项目”混合动力液压挖掘机上共有 6 个电机：主驱动电机、能量回收电机、回转电机、水路循环水泵电机、发动机散热风扇电机、超级电容散热风扇电机。按性能主要分为三类：直流电机，三相永磁发电/ 电动一体机、励磁可调发电
10、机。对这三类电机需分别采用不同的控制方式，对直流电机采用脉宽调速方式，对三相永磁发电/电动一体机采用变频调速方式与发电切换方式，对发电机的发电功率调节采用励磁电流（PWM）调节方式。将主驱动电机、能量回收电机、回转电机、水路循环水泵电机、发动机散热风扇电机、超级电容散热风扇电机编号为 1，2， 3，4，5，6。其中 1 号电机是三相永磁发电/电动一体机电机，2 号电机是励磁可调节发电机，3， 4 号电机是三相永磁电动机，5，6 号电机是直流电机。1，3，4 号电机驱动电路见图 3。图 3 三相永磁电机驱动电路图中 G，G实现三相永磁电机发电/电动状态切换,当 G 导通,G断开时, 三相永磁电机
11、处于电动状态,电源 U 通过 G 为三相桥提供动力电源；当 G导通,G 断开时, 三相永磁电机处于发电状态, 三相永磁电机发电通过三相桥上的续流二极管整流，经 G为负载提供电源。A，A ，B，B ，C，C组成三相桥电路，去除同一桥上功率管不能同时导通（如 A，A ）可排列组合出8 个状态（其中有效状态 6 个） ，变频调速就是不断控制三相桥上 6 个功率管的导通与断开来实4现的。3，4 号电机与 1 号电机驱动电路不同之处是 3，4 号电机不需要 G，G 。5，6 号电机的驱动电路见图 4，当 Z，F导通，Z ，F 断开时电机正转；当 Z，F 导通，Z，F断开时电机反转；脉宽调速就是不断控制其
12、中一组的通/断来实现直流电机调速的。2 号电机励磁电流（PWM）调节驱动电路见图 5。图 4 直流电机驱动电路 图 5 发电机励磁调节驱动电路控制命令字的定义：由于需要控制混合动力液压挖掘机上的 6 个电机，所以控制命令字第一部分控制对象占 3 个字节（6 个半字节） ，第 1 个半字节至第 6 个半字节分别对应1，2，3，4，5，6 号电机，控制命令字第二部分控制时间占用 2 个字节，则在混合动力液压挖掘机多电机集群控制设计中一个完整的控制命令字占 5 个字节。对控制命令字第一部分控制对象的具体定义见图 6。图 6 控制命令字第一部分逻辑定义表多电机集群控制技术应用在混合动力液压挖掘机上，与
13、每个电机采用独立控制电路进行充5分对比试验得出结论：采用多电机集群控制技术成本更低、体积更小、重量更轻，可靠性更高，并且对电机的精确控制度高。具体对比见下表：比较项目 多电机集群控制独立控制原因分析体积 小 大成本 低 高重量 轻 较轻混合动力液压挖掘机采用独立控制电路需 6 片微处理器及其外围电路，而采用多电机集群控制技术只需 2 片微处理器，元器件大幅度减少，自然带来体积、成本、重量上的优势。可靠性 高 较高精确控制度 高 较高独立控制电路中微处理器既要采集信号，又要分析和处理信号，还要产生驱动控制信号，容易造成中断嵌套死机，并且对定时器中断响应及时与对数据采集分析处理及时相互矛盾；而在多
14、电机集群控制技术中微处理器分工明确，主处理器专职采集、分析和处理信号，协处理器专职产生驱动控制信号，主处理器没有中断，协处理器仅有定时器中断。因此多电机集群控制技术可靠性和精确控制度比独立控制更高。4 结束语多电机同时工作不仅仅只出现在混合动力液压挖掘机上，它在许多复杂的工业控制、自动控制设备上也经常出现，对多个电机集群调度，集群控制的研究还处于较新的前沿技术领域，主要难点在于对多电机综合运算的精确控制，以及多电机控制电路的电磁兼容。本文给出一种可实现的多电机集群控制技术，更多优化还有待进一步的研究。 参考文献：1 自动控制理论基础，北京理工大学出版社， 1991 2 电机学与电力拖动技术，国
15、防工业出版社， 20093 履带车辆电传动系统集成及关键技术研究，北京理工大学， 2010Abstract This text mainly introduced the actuality and defect of electric machines controlled, advance a kind of new technique which electric machines by centralizing, and elaborate the technique of electric machines by centralizing applied at the Hybrid
16、power hydraulic excavator, and pass contrast have a conclusion that the electric machines by centralizing possess advantages of more credible technique function, lower cost, smaller volume, lighter weight and higher accurate control, having large expansion foreground and expansion value.Keywords The electric machines by centralizing; Hybrid power hydraulic excavator, centralizing; conformity; The cont
