随着工业自动化水平的不断提高，多电机同步协同工作的应用场景越来越多。在纺织与印刷等行业中，为防止过大的张力对材料产生损伤，要求每个环节的多个滚筒同步运转。在龙门系统中，两台电机的同步运行能力直接影响着系统的稳定性与精确程度，且由于存在机械上的连接，在同步控制时还需要考虑机械结构带来的影响。

在XY工作台中，为了能够准确地刻画所需的运动轮廓，需要对两个轴上的电机进行精确的同步控制。在工业流水线中，包括等距切割、斜角飞剪、材料填充、纵向切割、拣选和堆放、自动绕线与打包等应用场合，都需要多台电机在变频器与可编程逻辑控制器的配合下实现同步协同工作。

早期的同步控制以机械连接方式为主，包括齿轮啮合、传动杆等方式，物理上的连接较为简单，但存在同步精度低、机械结构易磨损、受限于空间结构与距离等问题，因此需要从电机驱动的角度来突破物理上的缺陷。如今依靠成熟的伺服驱动系统，能够保证电机之间及时地交互转速与位置信息，从而使得同步控制更加容易实现，但是变频器往往只能提供开环的同步控制，存在信息延迟与鲁棒性较低等问题，因此从控制算法上提高同步控制系统性能显得十分重要。

多电机同步控制系统的组成如图1所示，每台电机均有各自的闭环跟随控制，所有电机的实际运行状态通过统一的信息接口反馈到上位机中，上位机一方面给各台电机下发用户指令，另一方面利用得到的反馈信息，通过同步控制结构与算法的配合，输出相应的同步补偿量至每台电机，从而实现消除电机间转速差或保持准确转速比的目的。

目前，多电机同步运动控制的研究工作主要集中于同步控制器和跟随控制器上。同步控制器可以采用主令、主从、耦合、虚拟轴等不同控制结构，并利用现代控制理论设计合适的控制算法；跟随控制器可以采用滑模、模糊、自抗扰、神经网络、自适应、比例积分微分（Proportional Integral Derivative, PID）等不同控制算法，从而加强系统的同步能力。

图1 多电机同步控制系统的组成

东南大学电气工程学院的研究人员以同步控制器为主线，综述了多电机同步控制技术的主要结构、设计思想、相关应用及其优缺点和改进方案，通过仿真对比了几种主要同步控制方法的特点。

研究人员指出，主令控制与主从控制作为初级的开环控制方式，在一些精度要求较低的场合依然有着广泛的应用；交叉耦合控制作为双电机同步系统中常用的控制结构，已经得到了十分完善的发展，同步精度也可以控制在较高的水平；相邻耦合与偏差耦合控制继承了交叉耦合的思想，广泛运用于多电机同步控制的应用中，两者具有相近的同步能力，但是相邻耦合存在误差传递时延问题，偏差耦合存在运算量过大的问题；虚拟主轴控制模拟了机械主轴的同步能力，通常适用于单个电机达到输出极限的应用场景。

因此，他们认为在实际的应用中，需要综合考虑同步精度、跟随精度、计算量、成本等因素来选取合适的控制方案。

另外，研究人员还分析了多电机同步控制技术的主要研究难点和相关研究成果。

研究难点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。

有学者针对机械臂中的多电机协同控制需求，在结合了主令、主从、交叉耦合三种控制结构的特点后，提出了基于模糊控制的新型环形耦合控制方法，有效地提高了同步能力。有学者在多电机集群控制环境下，根据盾构机的实际工况设计了新的区域耦合控制拓扑，在降低系统复杂程度的同时保证了同步精度。有学者为了简化在多电机同步情况下的补偿器数量和系统运算量，提出了平均值偏差耦合控制方式。有学者针对负载惯量变化给多电机驱动平台带来的影响，将多电机同步结构置于平台位置控制闭环内，结合惯量辨识的方法，取得了有效的同步。

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。

传统耦合方法不考虑每个电机转速在系统中的权重，且一系列改良算法大多只考虑了提高每个电机的运行性能，而不从改善系统整体架构性能的角度出发，有学者提供一种从整体看问题的方法，添加了额外的参考速度控制器以获得更好的整体性能。有学者利用协同控制算法区分不同电机在系统中的重要程度，从而提高了系统整体的鲁棒性和协调性，且易于拓展至超过三电机的多电机同步系统。有学者针对多层次多轴系统，利用主从结构与环形耦合结构的结合，提出了一种基于组合交叉耦合误差的控制方法，取得了理想的同步性能与抗扰动能力。有学者在多机械手电机网络化系统中，设计了双层次控制结构，第一层对于单机械手上的多关节电机，采用模糊PID作为跟随与同步控制器，第二层针对多个机械手，设计了预测控制机制，从而保证了系统整体的性能。

研究难点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。

有学者专门针对位置同步控制，提出了改进型的交叉耦合结构，对补偿器的输入输出以及算法逻辑进行了调整。有学者对普通交叉耦合结构进行了自适应控制改造，实现了多电机的位置准确同步。有学者则是在交叉耦合结构的基础上，通过分别设计位置与转速同步补偿器，同时实现了转速同步与位置同步控制。有学者针对双直线电机位置伺服系统中的时变轨迹问题，提出了利用Sugeno型模糊神经网络的同步控制器，结合互补滑模跟随控制器的方法，在对比实验中显著提高了同步精度。有学者设计了能够同时估计集总扰动和系统状态的广义扩张状态观测器，结合同步解耦控制器，实现了对网络化多轴运动系统的高精度位置同步控制。

研究难点3：模型不确定性与参数敏感性

跟随控制器的设计往往需要考虑被控对象的实际模型，而工业中往往无法对对象进行精确的建模。

有学者设计了基于预测的自适应鲁棒控制策略，使得在存在未知非线性情况下，依旧实现了多电机伺服驱动系统的同步控制。有学者在偏差耦合控制结构的基础上，将模糊控制作为转速补偿控制方案，在系统内电机的转动惯量存在显著差别的情况下依旧保持了高精度的同步。有学者通过引入具有直流电机标称参数值的扰动动态模型，显式地处理了参数和负载变化问题，使用自调节同步补偿器和基于扰动观测与比例控制的跟随控制器，实现了优异的控制效果。有学者通过自适应鲁棒控制器，提升了同步补偿器的调节能力与性能，降低了系统对模型和参数的敏感性。

研究难点4：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。

有学者结合交叉耦合结构设计了最优PID算法，实现在降低运算量的情况下保证控制精度。有学者使用主从控制与交叉耦合控制结合，以虚拟轴的形式作为主机给定信号，利用模糊PID设计同步控制机构，并省略跟随控制器，在液电双轴、双电机轴等工况下取得成功。有学者利用非线性PID，在保留普通PID计算优势的基础上，提高了控制的收敛速度与稳态性能，并一定程度上提高了鲁棒性。

研究难​点5：跟随控制与同步控制的解耦

常用的同步控制方案将跟随控制与同步控制混合在一起，导致性能相互牵制，控制主体不清晰不明确，为此不同学者在解耦控制方面做出了努力。

有学者通过增大同步控制器的带宽以强调同步控制的优先作用。有学者根据最优控制原理，分别设计了跟随控制器和同步控制器，基于平均值偏差耦合控制策略，提出了同步控制内环、跟随控制外环的解耦控制结构。有学者研究专用于高精度龙门运动平台的同步控制方法，控制模型使用单纯的解耦控制的方法，利用两个控制器，分别进行跟随控制和同步控制。

​研究难点6：齿隙非线性问题

针对有齿轮啮合于各电机之间的多电机同步系统，需要充分考虑齿隙非线性对控制系统精确程度带来的影响。

有学者针对未建模的动态过程和具有齿隙非线性的双电机伺服系统，提出了基于改进型扩张状态观测器的快速递归动态滑模控制，通过在扩张状态观测器中引入新的非线性函数，简化了控制器的设计流程，提高了系统的跟踪准确性。有学者进一步利用递归自适应积分滑模控制解决到达相位和奇异性问题，处理了齿隙非线性带来的影响。有学者使用了模糊滑模自适应控制的方式来解决该问题。

最后，研究人员总结了多电机同步控制技术的未来发展趋势：

1）更高的控制精度。通过更加优化的控制结构与算法来进一步提高跟踪精度与同步精度。

2）更高的可靠性。通过应对模型不确定性与参数敏感性，提高极端工况下容错能力等方式，确保系统稳定运行的能力。

3）更大的控制规模。针对大规模电机集群与大空间跨度协作系统，结合适当的控制结构与实时通信手段以实现有效控制。

4）更高的专用性。根据系统的实际运行工况的需求和特性，开发具有针对性的控制方案。

以上研究成果发表在2021年第14期《电工技术学报》，论文标题为“多电机同步运动控制技术综述”，作者为叶宇豪、彭飞 等。