双电机同步控制在缠绕机驱动系统中的应用
 
 摘要
 
缠绕机是复合材料制品成型、钢丝预应力缠绕等工业场景中的关键装备，其驱动系统的同步性能直接决定缠绕制品的质量与生产效率。在大型缠绕设备中，采用双电机驱动方案可有效解决单电机功率不足与传动链过长等问题，但双电机之间的转速不同步会导致缠绕张力波动、制品层间结合不良甚至设备损坏。本文从缠绕机双电机同步控制的工程需求出发，系统分析了主从控制、交叉耦合控制及偏差耦合控制等典型同步策略的原理与适用场景，重点阐述了PID交叉耦合补偿、模糊PID自适应控制及自适应反步滑模控制在缠绕机同步驱动中的应用机理，并结合RDJ-2500/4000-200.1400型热等静压机钢丝缠绕工程案例验证了技术应用效果。大众用电领域对工业驱动系统能效的关注与石油化工建设领域对大型装备可靠性的要求，共同推动了缠绕机驱动系统同步控制技术的持续演进。研究表明，采用交叉耦合转速补偿方法可极大降低双电机转速差，实现高精度转速同步；基于自适应模糊PID的同步运动控制器相比常规PID具有更强的鲁棒性和更优的动静态性能；自适应反步滑模偏差耦合控制策略可有效减小缠绕成型过程中各电机间的同步运动误差。本文旨在为缠绕机驱动系统双电机同步控制的工程设计与应用提供理论参考与实践指导。
 
关键词：双电机同步控制；缠绕机；交叉耦合控制；模糊PID；驱动系统
 
 
 1 引言
 
缠绕机是纤维缠绕成型、钢丝缠绕预紧、电缆卷绕及复合材料制品生产中的核心工艺装备。在航空航天复合材料构件、高压容器、热等静压机钢丝缠绕预应力结构等高端制造领域，缠绕工艺的质量直接决定最终产品的服役性能与安全可靠性。以热等静压机为例，其钢丝缠绕工序需要在极高负载条件下完成精密缠绕，对驱动系统中电机的同步性提出了极为严格的要求。
 
传统缠绕机多采用单电机驱动方案，通过机械传动链将动力分配至各执行机构。然而，随着缠绕制品向大型化、高精度方向发展，单电机驱动在功率输出、传动效率和系统刚度等方面的局限性日益凸显。一方面，大型缠绕设备所需驱动力矩远超单台电机的额定输出能力；另一方面，长传动链带来的弹性变形和间隙误差严重影响缠绕精度。在此背景下，双电机乃至多电机同步驱动方案逐渐成为大型缠绕设备的优选技术路线。
 
双电机驱动系统在提供更大输出功率的同时，也引入了新的技术挑战——两台电机必须保持精确的转速同步。在缠绕过程中，若两台电机的实际输出转速存在差异，将导致缠绕张力波动、纤维或钢丝在芯模表面的分布不均匀，严重时甚至造成制品报废或设备损坏。因此，如何通过有效的控制策略实现双电机的高精度同步运行，是缠绕机驱动系统设计中必须解决的核心问题。
 
大众用电领域对工业驱动系统能效提升的持续关注，以及石油化工建设领域对大型关键装备长期运行可靠性的严格要求，共同推动着缠绕机驱动系统同步控制技术的持续演进。本文在系统分析缠绕机双电机同步控制技术需求的基础上，梳理了主从控制、交叉耦合控制及偏差耦合控制等典型策略的原理与特点，重点讨论了PID交叉耦合补偿、模糊PID自适应控制及自适应反步滑模控制在缠绕机驱动系统中的应用，并结合工程案例验证技术效果，以期为该领域的工程实践提供参考。
 
 2 缠绕机驱动系统的结构与同步控制需求
 
 2.1 缠绕机的基本结构与驱动方式
 
缠绕机的基本工作原理可概括为：芯模绕自身轴线匀速旋转（主轴运动），同时导丝头按一定的速比要求沿芯模轴线方向往复运动（小车运动），通过主轴旋转与小车轴向运动的合成，将纤维或钢丝按照预定轨迹均匀、连续地布满芯模表面。
 
在驱动系统层面，缠绕机通常包含主轴驱动电机和小车驱动电机两大核心动力单元。主轴电机负责驱动芯模旋转，其转速的稳定性直接影响缠绕张力与生产效率；小车电机则驱动导丝头沿轴向运动，其运动速度必须与主轴转速保持精确的比例关系。在大型缠绕设备中，由于主轴负载力矩巨大，单台电机难以满足驱动要求，往往采用双电机同轴或并联驱动方案，两台电机共同输出力矩驱动主轴旋转。
 
 2.2 双电机同步控制的必要性
 
双电机驱动方案在提升输出能力的同时，也带来了转速同步的核心挑战。两台电机在物理参数（如定子电阻、电感、永磁体磁链）、负载分配及外部扰动等方面必然存在差异，这些差异将导致两台电机的实际输出转速产生偏差。在缠绕机工作过程中，若主轴双驱动电机的转速不同步，将产生以下问题：
 
其一，缠绕张力波动。转速差导致驱动力矩分配不均，使缠绕过程中纤维或钢丝所受张力发生周期性变化，直接影响制品的层间结合强度与尺寸精度。
 
其二，传动系统异常磨损。在刚性连接的双电机驱动系统中，转速差会在传动链中产生附加应力，加速齿轮、联轴器等传动元件的疲劳损伤。
 
其三，制品质量缺陷。对于精密缠绕制品（如光纤环、航空航天复合材料构件），转速不同步导致的张力波动将使制品内外层胶质含量不均匀，严重影响产品性能。
 
因此，实现双电机的高精度转速同步，是保证缠绕机正常运行和制品质量的前提条件。
 
 2.3 缠绕机同步控制的特殊工况
 
缠绕机双电机同步控制面临以下特殊工况挑战：
 
变负载工况。缠绕过程中，随着缠绕层数的增加，芯模的转动惯量和负载力矩持续变化，属于典型的惯量变化很大的非线性时变系统。
 
频繁加减速。实际生产中，缠绕机主轴和小车在运行时要根据工艺要求不断进行加减速，这对同步控制的动态响应性能提出了较高要求。
 
高负载扰动。在钢丝缠绕等高负载场景中，电机承受的负载力矩极大，外部扰动对同步性能的影响更为显著。
 
这些特殊工况要求缠绕机双电机同步控制系统不仅具备稳态精度，更需具备良好的动态响应能力和抗扰动能力。
 
 3 双电机同步控制策略分析
 
 3.1 主从控制策略
 
主从控制是双电机同步控制中最基本的策略。其核心思想是：将两台电机中的一台设为主电机，另一台设为从电机；主电机按照速度给定值运行，从电机的转速指令则跟随主电机的实际转速。
 
主从控制的优点是结构简单、易于实现，适用于负载相对稳定、同步精度要求不高的场景。然而，该策略的固有缺陷在于：当主电机受到扰动时，从电机只能被动跟随，无法主动补偿扰动带来的转速偏差；同时，主从控制难以实现两台电机之间的负载均衡分配。
 
在缠绕机高负载、变工况的运行条件下，单纯的主从控制往往难以满足同步精度要求。
 
 3.2 交叉耦合控制策略
 
交叉耦合控制是解决双电机同步问题的经典方法。其基本原理是：通过速度传感器测出两台电机的实时转速并作差，差值信号通过两台电机相对应的权重系数形成联动反馈信号；当一台电机出现扰动时，另一台电机能够及时根据扰动进行调整。
 
在交叉耦合控制结构中，利用两组控制器分别检测两台电机的角速度并求出同步误差；用角速度同步误差乘以补偿系数，分别对两台电机的角速度进行补偿，使两台电机的角速度与给定角速度保持一致。
 
研究表明，采用交叉耦合转速补偿方法，可以极大地降低双电机转速差，实现双电机的转速同步控制。交叉耦合控制策略可获得稳定的同步控制精度，有效提高抗干扰性能。
 
针对传统交叉耦合控制在系统起动阶段和受不平衡负载情况下同步性能下降的问题，研究者进一步提出了基于模糊反馈增益的改进交叉耦合控制策略，通过设计模糊反馈增益控制器，使系统能够根据双电机系统的同步误差及其变化率调整反馈增益，从而提升同步性能。
 
 3.3 偏差耦合控制策略
 
偏差耦合控制是交叉耦合控制的进一步发展。与交叉耦合控制仅考虑两两之间的同步误差不同，偏差耦合控制将各电机的实际转速与所有电机的平均转速进行比较，将偏差作为反馈信号进行补偿控制。
 
针对缠绕成型过程中多电机同步运动误差问题，研究者提出了基于自适应反步滑模的偏差耦合控制策略。该策略首先分析缠绕过程中多个电机同步运动对缠绕成型质量的影响，确定缠绕成型伺服控制方案；随后建立永磁同步电机数学模型，设计自适应反步滑模控制器。该方法可有效减小各电机间的同步运动误差，提高缠绕成型质量。
 
偏差耦合控制的优势在于其全局协调能力——当系统中任意一台电机出现扰动时，所有电机都能感知并协同调整，特别适用于包含三台及以上电机的多轴缠绕系统。
 
 3.4 控制策略的适用性对比
 
| 控制策略 | 结构复杂度 | 同步精度 | 抗扰动能力 | 适用场景 |
|---------|-----------|---------|-----------|---------|
| 主从控制 | 低 | 一般 | 弱 | 负载稳定、精度要求低 |
| 交叉耦合控制 | 中 | 较高 | 较强 | 双电机高精度同步 |
| 偏差耦合控制 | 较高 | 高 | 强 | 三台及以上多轴系统 |
 
对于缠绕机双电机驱动系统而言，交叉耦合控制及其改进算法是应用最为广泛的方案，能够在结构复杂度与同步性能之间取得良好的平衡。
 
 4 缠绕机双电机同步控制的关键技术
 
 4.1 基于PID的交叉耦合补偿控制
 
PID交叉耦合补偿是缠绕机双电机同步控制的基础方案。该方案在传统PID速度闭环控制的基础上，引入交叉耦合补偿环节：实时检测两台电机的转速差，经过PID调节器生成补偿量，分别叠加至两台电机的速度给定值上。
 
在双电机驱动卷绕式系统的研究中，研究者建立了系统数学模型，并进行了电机参数变化及负载干扰情况下的双电机转速同步仿真。结果表明，采用交叉耦合转速补偿方法可以极大地降低双电机转速差。该方法的有效性已在拖锥自动收放系统等卷绕类设备中得到了验证。
 
 4.2 基于模糊PID的自适应同步控制
 
缠绕机是一个典型的惯量变化很大的非线性时变系统，常规PID控制器参数固定，难以适应工况变化。模糊PID控制通过将操作人员的控制经验转化为模糊规则，实现PID参数的在线自整定，有效提升了系统的适应能力。
 
基于模糊PID的缠绕机同步运动控制系统采用电子齿轮控制方式——不把主轴作为运动控制对象，而是根据主轴的运动完成小车跟踪主轴的运动。系统采用双CPU结构，同步运动控制器通过ISA总线与上位工控机进行实时通讯。主轴采用带编码器的矢量控制变频器实现速度闭环控制，由旋转编码器完成主轴转角和速度的检测。采用自适应模糊PID控制算法实现小车电机同步跟踪主轴运动。
 
基于MATLAB的仿真表明，与常规PID控制器相比，该模糊PID控制器能提高控制系统的鲁棒性和动静态性能。这一方案已在实际缠绕机数控系统中得到应用，有效保障了玻璃纤维缠绕制品的缠绕质量。
 
 4.3 自适应反步滑模偏差耦合控制
 
对于更高精度要求的缠绕应用场景（如固体火箭发动机绝热层缠绕成型），研究者提出了基于自适应反步滑模的偏差耦合控制策略。
 
该策略的核心思路是：首先建立永磁同步电机的精确数学模型；然后设计自适应反步滑模控制器，利用反步法处理系统的非线性特性，利用滑模控制增强系统的鲁棒性；最后通过偏差耦合结构实现多电机之间的协调同步。
 
这一方法特别适用于缠绕过程中各电机间存在强耦合、参数不确定性和外部扰动显著的复杂工况，可有效提高缠绕成型质量。
 
 4.4 嵌入式运动控制器的工程实现
 
在工程实现层面，基于嵌入式运动控制器的双CPU结构是缠绕机同步控制系统的主流架构。系统采用工业PC机作为上位机，负责工艺文件设置、运动参数设定、运行状态显示和人机交互等功能；嵌入式运动控制器作为下位机，完成伺服电机运动规划和实时控制。
 
在同步控制的实现方式上，系统利用“电子齿轮”功能实现主轴和小车的同步运动控制——将主轴编码器的反馈信号作为同步控制器的输入，通过电子齿轮比的计算，实现小车伺服电机对主轴的精确跟踪控制。这种控制方式不依赖于机械传动链的精度，而是通过数字化的电子齿轮实现柔性同步，具有更高的精度和灵活性。
 
 5 工程应用案例分析
 
 5.1 RDJ-2500/4000-200.1400型热等静压机钢丝缠绕工程
 
RDJ-2500/4000-200.1400型热等静压机的钢丝缠绕工作是双电机同步控制在缠绕机驱动系统中应用的典型案例。热等静压机是粉末冶金和先进陶瓷材料制备的关键装备，其工作压力极高，设备主体需要通过钢丝预应力缠绕来提供足够的结构强度。钢丝缠绕过程中，缠绕张力必须精确控制且保持高度均匀，任何张力波动都可能影响设备的承载能力与使用寿命。
 
在该工程中，缠绕机驱动系统面临的核心挑战是在高负载情况下确保两台驱动电机的实际输出转速差极小。若两台电机的转速不同步，将导致钢丝缠绕张力不均匀，直接影响热等静压机筒体的预应力分布质量。
 
为解决这一问题，该工程采用了交叉耦合转速同步控制方案。通过实时检测两台电机的转速差并实施动态补偿，有效减小了高负载工况下双电机的转速差。实际运行结果表明，该同步控制方案满足了热等静压机钢丝缠绕的工艺要求，保障了设备的安全可靠运行。
 
 5.2 玻璃纤维缠绕机同步运动控制系统
 
玻璃纤维缠绕成型是复合材料制品生产中的典型工艺。哈尔滨理工大学的研究团队针对玻璃纤维缠绕机设计了基于DSP和CPLD的同步运动控制器，采用自适应模糊PID控制策略实现主轴与小车电机的同步运动控制。
 
该系统的技术特点包括：主轴采用带PG矢量控制方式的变频器驱动，由旋转编码器完成主轴转角和速度的检测；小车伺服电机以主轴编码器反馈作为同步控制器的输入，通过电子齿轮实现跟踪控制；模糊PID控制器根据系统状态实时调整控制参数，适应缠绕过程中惯量和负载的变化。
 
仿真与实验结果表明，与常规PID控制器相比，模糊PID控制器能显著提高控制系统的鲁棒性和动静态性能。该系统已在实际缠绕设备中得到应用验证。
 
 5.3 应用效果的综合分析
 
综合上述案例及相关研究，双电机同步控制在缠绕机驱动系统中的应用可取得以下成效：
 
同步精度提升。采用交叉耦合转速补偿方法可极大降低双电机转速差。基于自适应反步滑模的偏差耦合控制可有效减小各电机间的同步运动误差。
 
系统鲁棒性增强。模糊PID控制器相比常规PID具有更强的抗扰动能力和适应性，能够应对缠绕过程中惯量和负载的持续变化。
 
制品质量改善。精确的同步控制保证了缠绕张力的稳定性和缠绕轨迹的准确性，有效提升了缠绕制品的层间结合质量与尺寸精度。
 
 6 结论
 
（1）缠绕机驱动系统的双电机同步控制是保证缠绕制品质量和设备运行安全的关键技术。在大型缠绕设备高负载、变工况的运行条件下，两台驱动电机必须保持精确的转速同步，以避免缠绕张力波动和传动系统异常磨损。
 
（2）主从控制、交叉耦合控制和偏差耦合控制是双电机同步控制的三种典型策略。交叉耦合控制通过将两台电机的转速差作为反馈信号进行动态补偿，可获得稳定的同步控制精度和良好的抗干扰性能，是缠绕机双电机驱动系统中最具工程适用性的方案。
 
（3）基于PID的交叉耦合补偿控制是基础方案，可极大降低双电机转速差；基于模糊PID的自适应控制通过参数在线自整定，提高了系统在变负载工况下的鲁棒性和动静态性能；基于自适应反步滑模的偏差耦合控制进一步提升了多轴系统的同步精度与抗扰动能力。
 
（4）RDJ-2500/4000-200.1400型热等静压机钢丝缠绕工程和玻璃纤维缠绕机同步运动控制系统的实践表明，交叉耦合补偿与模糊PID自适应控制相结合的技术方案，能够有效满足缠绕机在高负载、变工况条件下的双电机同步控制需求，为大型缠绕装备的驱动系统设计提供了可靠的技术路径。
 
 
 参考文献
 
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