在實(shí)際工業(yè)的某些場合中存在單機(jī)功率難以滿足大負(fù)載高轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求，或者單機(jī)制造成本較高，以及需要有單雙機(jī)切換工藝需求，通常采用多電機(jī)進(jìn)行同步驅(qū)動(dòng)。目前多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已在造紙、石油鉆采、金屬軋制、電動(dòng)汽車等眾多領(lǐng)域的高精度、高轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

由于多電機(jī)的同步控制性能會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)參數(shù)的不一致性、不同工況下的內(nèi)部參數(shù)變化、負(fù)載的擾動(dòng)等因素的影響而惡化，所以多電機(jī)的同步控制一直是研究的熱點(diǎn)。

雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)是多電機(jī)控制中最常見且廣泛應(yīng)用的一種，而當(dāng)前比較主流的同步驅(qū)動(dòng)策略是主-從結(jié)構(gòu)控制，主-從結(jié)構(gòu)控制是將主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出作為從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定，速度強(qiáng)制一致，主動(dòng)結(jié)構(gòu)控制下穩(wěn)態(tài)時(shí)的同步性能較好，但是由于采用控制算法的限制也存在一定的轉(zhuǎn)矩差。

電機(jī)控制算法中采用比較常用的是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control, DTC），DTC具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)需求少等優(yōu)點(diǎn)，但DTC自身存在輸出轉(zhuǎn)矩脈振問題，在雙電機(jī)主-從系統(tǒng)中由于軸承的剛性連接使得脈振現(xiàn)象更加凸顯，導(dǎo)致主-從轉(zhuǎn)矩差進(jìn)一步增大，特別是在起動(dòng)、外界負(fù)載擾動(dòng)的狀態(tài)下，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的輸出效果與設(shè)備安全。

對于DTC脈振改進(jìn)方面，文獻(xiàn)[10,11]通過改進(jìn)占空比確定方法來減少轉(zhuǎn)矩與磁鏈脈振。文獻(xiàn)[12]根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制要求計(jì)算參考電壓，并以參考電壓矢量為目標(biāo),選擇與之偏差最小的輸出電壓矢量作用于電機(jī)，在保持了直接轉(zhuǎn)矩控制快速響應(yīng)性與魯棒性的同時(shí)，減小了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈振。

文獻(xiàn)[13]提出了一種定子磁鏈軌跡優(yōu)化的異步牽引電機(jī)基速以內(nèi)的中高速區(qū)DTC策略，在傳統(tǒng)DTC策略基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上僅增加定子磁鏈調(diào)節(jié)算法，在保留了傳統(tǒng)DTC算法快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的情況下有效減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈振。文獻(xiàn)[14]利用迭代學(xué)習(xí)控制（Iterative Learning Control，ILC）構(gòu)成迭代學(xué)習(xí)控制器，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行在線補(bǔ)償，同時(shí)通過空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）得到最佳電壓矢量以減小磁鏈偏差，以上兩種方法結(jié)合改善了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[15]基于開關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制方法（Switch Table-Direct Torque Control, ST-DTC）的基礎(chǔ)上提出了七級轉(zhuǎn)矩比較器，以減少由三電平五相逆變器供電的DTC控制的五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。上述改進(jìn)都是具體環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，并沒有對電機(jī)控制算法結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行改變，所以DTC在電機(jī)參數(shù)變化或者動(dòng)態(tài)階躍時(shí)依然無法良好地進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，并且控制系統(tǒng)只是依靠簡單的電路。

而隨著微處理器的發(fā)展，模型預(yù)測控制逐漸被應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速中，發(fā)展成為模型轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制（Model Predictive Direct Torque Control, MPDTC）[16]，該方法通過預(yù)測下一時(shí)刻變量，并通過代價(jià)函數(shù)選擇最優(yōu)電壓矢量，可有效地減小輸出轉(zhuǎn)矩脈振，而且針對轉(zhuǎn)矩脈振的問題有不少學(xué)者提出了進(jìn)一步的改進(jìn)辦法。文獻(xiàn)[17]提出了對定子磁鏈、定子電流與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行兩步預(yù)測，轉(zhuǎn)矩預(yù)測值由定子磁鏈與定子電流確定，通過減少定子磁鏈與定子電流的預(yù)測誤差，達(dá)到進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)矩脈振的效果。

文獻(xiàn)[18]利用過去時(shí)刻的電壓、電流信息計(jì)算出反電動(dòng)勢，經(jīng)過一拍延時(shí)補(bǔ)償后，再將得到的反電動(dòng)勢代入模型預(yù)測中，從而消除反電動(dòng)勢項(xiàng)中參數(shù)誤差的影響。文獻(xiàn)[19]采用順推法對電流運(yùn)用兩步預(yù)測與延時(shí)補(bǔ)償，改進(jìn)了代價(jià)函數(shù)，最后進(jìn)行負(fù)載電流反饋，該方法減小了預(yù)測誤差，諧波失真率降低。

文獻(xiàn)[20]提出了一種基于擴(kuò)展控制集（Extended Control Set, ECS）的改進(jìn)MPDTC算法。在所提出的算法中，將更多的候選電壓矢量擴(kuò)展到控制集并形成ECS，并設(shè)計(jì)了一種新的電壓矢量合成方法，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的預(yù)測模型和級聯(lián)預(yù)測算法，可以在較短的控制時(shí)間內(nèi)從ECS中選擇最優(yōu)矢量，并同時(shí)優(yōu)化其幅值，以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁通的高精度控制從而提高轉(zhuǎn)矩控制精度，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

根據(jù)上述應(yīng)用及改進(jìn)現(xiàn)狀，本文采用MPDTC算法在雙電機(jī)主-從結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈振和主-從轉(zhuǎn)矩差的目的。

同時(shí)DTC算法本身也依賴電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)數(shù)學(xué)模型存在誤差或其中的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，該方法的控制性能會(huì)下降，雙電機(jī)由于參數(shù)的增加，數(shù)學(xué)模型與參數(shù)不匹配產(chǎn)生的現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，一般通過單項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)反饋、濾波器、滑膜面以減小參數(shù)變化帶來的影響。

文獻(xiàn)[21]針對異步電機(jī)在低速狀態(tài)下出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈振的問題，提出了一種擴(kuò)展的卡爾曼濾波器，提高了估計(jì)的定子和轉(zhuǎn)子磁通以及估計(jì)轉(zhuǎn)子速度的準(zhǔn)確性，有效減少了由于定子和轉(zhuǎn)子磁通、轉(zhuǎn)子速度的誤差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈振。文獻(xiàn)[22]提出一種以轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩為觀測對象的擴(kuò)展滑模觀測器，以實(shí)際轉(zhuǎn)速與觀測轉(zhuǎn)速之差組成滑模面，當(dāng)滑模運(yùn)動(dòng)發(fā)生后轉(zhuǎn)矩觀測誤差漸近收斂到零，減少了由于轉(zhuǎn)速誤差帶來的轉(zhuǎn)矩脈振。

文獻(xiàn)[23]對永磁同步電機(jī)采用全階滑模觀測器在靜止坐標(biāo)系上觀測等效反電動(dòng)勢，然后根據(jù)觀測的等效反電動(dòng)勢和采樣的定子電流實(shí)現(xiàn)靜止坐標(biāo)系上的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩預(yù)測，避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，提高了參數(shù)魯棒性，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

本文將MPDTC應(yīng)用到雙電機(jī)，離散模型、負(fù)載變化和參數(shù)不匹配問題同樣存在，影響了主-從電機(jī)轉(zhuǎn)矩差的變化，而傳統(tǒng)的模型預(yù)測控制只是簡單的開環(huán)預(yù)測，其滾動(dòng)優(yōu)化并沒有建立在反饋校正的基礎(chǔ)上，此種開環(huán)的模型預(yù)測控制會(huì)導(dǎo)致某些時(shí)刻選擇錯(cuò)誤的開關(guān)狀態(tài)組合。

文獻(xiàn)[24]對永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制算法進(jìn)行改進(jìn)，系統(tǒng)內(nèi)部由于電感的變化導(dǎo)致模型不準(zhǔn)確，從算法自身優(yōu)化的角度提出閉環(huán)模型預(yù)測控制，選取定子電流為狀態(tài)變量，并將電流的實(shí)測值與預(yù)測值之間的誤差作為反饋，對預(yù)測值進(jìn)行修正，結(jié)果證明轉(zhuǎn)矩脈振現(xiàn)象得到了改善。

綜上所述，本文在雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中引入模型轉(zhuǎn)矩預(yù)測，并結(jié)合誤差反饋和二步預(yù)測進(jìn)行改進(jìn)以減小轉(zhuǎn)矩脈振和主-從轉(zhuǎn)矩差，首先搭建雙電機(jī)主-從系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制模型，再分別對改進(jìn)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在Matlab/Simulink和硬件實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行算法驗(yàn)證。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)論

本文針對雙電機(jī)主-從結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩脈振及轉(zhuǎn)矩差問題，在二步預(yù)測的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型轉(zhuǎn)矩預(yù)測的電流反饋改進(jìn)設(shè)計(jì)并應(yīng)用在雙異步電機(jī)主-從系統(tǒng)上，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)的單步轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制存在預(yù)測精度不高導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈振與轉(zhuǎn)矩差過大；引入電流反饋可以有效減小起動(dòng)動(dòng)態(tài)過程的轉(zhuǎn)矩脈振與轉(zhuǎn)矩差，但需要選取合適的反饋系數(shù)，避免響應(yīng)時(shí)間變長及過補(bǔ)償導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩畸變現(xiàn)象。

2）在電機(jī)起動(dòng)過程中仍存在轉(zhuǎn)矩差過大的問題，引入二步預(yù)測可解決系統(tǒng)延時(shí)問題，有效地減少了轉(zhuǎn)矩脈振與起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)矩差。

所提出的方法結(jié)合了各自的優(yōu)點(diǎn)，對雙電機(jī)的轉(zhuǎn)矩差與各自的轉(zhuǎn)矩脈振抑制有很好的效果，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能。