双电机共轨驱动主从电流交叉动态耦合控制V1.0-案例应用-直流伺服电机_闸机伺服电机

1. 双电机共轨驱动

在机器人的设计和实践过程中我们经常会遇到两个电机驱动同一个负载的情况。他通常出现在单个电机无法提供足够的动力，或者机械结构不允许安装单个动力部件的时候。当系统提出大功率需求而安装空间又不允许安装大功率电机的时候，也往往需要采用双电机共同驱动来满足要求。

双电机驱动的挂轨机器人、双电机驱动爬塔机器人等设备中经常会出现这样的安装要求。如果图1所示，通常轮子1到4中有两个为动力轮和另外两个为辅助轮，它们构成了一种典型的双电机共轨驱动的结构。

2. 双电机共轨驱动存在的问题

双电机共同驱动的结构解决了系统安装空间的问题，为系统提供了更大的功率和动力。此时如果两个电机还是按照传统的方式进行控制，则会带来电机同步控制方面的问题。其问题主要表现为机械和控制两个方面。

机械方面：

设计相同动力部件和传动链不可避免的存在机械特性差异、加工精确问题以及磨损不同的问题。

控制方面：

控制信号传输的时间差、电机微小特性差异、控制器时钟差异以及控制误差的累计。

由于机械和控制方面诸多问题的存在，采用传统的控制方式(两个电机都工作在速度模式)时动力轮之间行走距离误差的累积会在两个电机之间产生相互较劲(可能表现为一个电机负载大另一个电机负载小，更有可能表现为两个电机作用方向相反的情况)的现象。随着运行距离的增加，电机之间的较劲会越来越厉害，最后会导致驱动器过流报警或甚至烧毁电机或驱动器的情况发生。

如何保证双电机驱动在两个动力源的负载平衡是控制好双电机驱动系统的关键，为此MOTEC专门开发了双电机主从控制模式来解决这个问题。

3. MOTEC的双电机共轨驱动主从控制解决方案

按照不同层级优化的双电机驱动方式，MOTEC提供了3种不同的控制方式：

1）双电机PWM主从模式电流跟随控制

主驱动器工作在位置或速度模式，从驱动器工作在电流模式。主从驱动器的电流跟随值利用PWM占空比的方式发送，从电机跟随主电机的电流大小随动；

2）双电机通讯主从模式电流跟随控制

主驱动器工作在位置或速度模式，从驱动器工作在电流模式。主从驱动器的电流跟随值利用通讯的方式发送，从电机跟随主电机的电流大小随动。主驱动器能够采集到从电机的速度，当主从电机速度差超过阈值时可以启动保护；

3）双电机通讯主从模式速度跟随电流交叉耦合控制

主驱动器工作在位置或速度模式，从驱动器工作在速度模式。主从驱动器之间利用通讯方式建立联系，从电机跟随主电机的速度随动。同时主从驱动器内置了电流交叉耦合控制器以解决两个电机较劲的问题。主从速度跟随动态啮合模式下可以动态实时的修改主从驱动器的工作模式，即控制主从电机工作在主从模式或独立控制模式，主从电机之间的耦合控制也是实时可调。

以上三种不同的控制方式通常能解决在实际应用中遇到的问题，但是有一种特殊情况需要有特别的控制流程与之对应才能解决。

存在的问题：

轨道的安装精度造成驱动轮和轨道之间有贴合不紧的情况，造成驱动轮空转而动力不能传达的问题。如果恰好在轨道某个位置主轴驱动轮没有接触到轨道，主轴电机就会处于空转状态。由于主轴空转造成负载电流很小，从轴跟随主轴因此从轴电流也很小。此时从轴的动力不足以驱动设备前进。

解决方法：

使用主从速度跟随电流交叉耦合的控制方式可以完美解决上面描述的问题，解决的工作流程如下：

1) 主从驱动器工作在速度跟随模式，正常情况下主轴电流交叉耦合处于工作状态，此时耦合控制器用于解决主从电机之间的较劲问题；

2) 当轨道异常造成主轴驱动轮不能贴合轨道，由于主轴输出电流小以及电流耦合控制器的作用，造成从轴输出电流小而不能单独驱动设备；

3) 当 2) 的情况发生时，上位机可以检测到主轴的转速处于正常状态，而从轴转速为0。此时降低主轴速度设定(以免主轴驱动轮突然接触轨道造成磨损和速度突变波动)，关闭主从电流耦合控制器，从轴便会工作在速度跟随没有电流耦合的情况。此时从轴的电流不受到主轴的影响，而是根据负载确定。所以此时单靠从轴的驱动能力便可以使得设备运动，从而让主轴驱动轮脱困；

4) 当设备脱困以后，由于主从电流耦合控制器没有启用，随着设备的运动主从之间的较劲会一直增加。当上位机检测到主从电机的电流之差超过阈值时启用主从之间的电流耦合控制器消除较劲；

5) 当再发生 2) 的情况时再次根据 3) 的描述进行处理；

根据以上的工作流程我们可以解决轨道精度的问题。为了用户使用方便，我们在驱动器内实现了上面描述的工作流程的自动化。如图1所示，在主从速度跟随电流耦合控制的基础上，加入了动态耦合控制器。动态耦合控制器能够持续监控主从轴之间的速度差值和电流差值，根据主从的速度值、电流值与设定的阈值比较自动打开或关闭电流耦合控制，从而解决轨道精度引起的动力不能传达的问题。