多電機驅動振動機械同步理論的研究

張藝超

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 451460）

0 引言

所謂“同步”屬于一種客觀且特殊的運動形式，它廣泛存在于自然環境與人類社會場域。從物理形態維度分析，同步現象可以視為兩個及以上物體、系統保持穩定的相同或相似運動形式，如兩個質點保持相同勻速、同向運動，或者兩個物體呈現出相同的運動軌跡、相位等。基于同步現象的普遍性與自然科學技術的發展，人們在不同領域都發現了同步問題，諸如醫學、生物學、化學、經濟學等，“同步”這一概念也從自然科學領域拓展到哲學社會科學領域，關于同步理論的研究也進一步深入，從最早的“鐘擺同步”延伸到“混沌同步”層次。聚焦振動機械領域，同步理論被廣泛的引用在工業生產（系統）中，但要求相對簡單，通常側重于兩個及以上的子系統（機械部件）能夠保持同步運轉——多電機驅動就是一個典型。其本質是要求多臺電機保持相同速度、相位，諸如振動冷卻機、振動樁機、振動篩、振動傳輸機等設備。為了實現振動機械整體運行的穩定統一，“同步狀態”是一個重要的前提條件，在未引入同步理論之前，為了實現多電機驅動下的同步運轉，所采用的手段主要是機械控制，如利用速度比1∶1的齒輪實現帶有偏心的激振器同步運動，雖然可以一定程度上滿足生產需要，但此類機械的設計、操作、管理等非常復雜，同步理論指導實踐運用的價值，主要體現在精簡振動機械結構、提高系統穩定性、降低維護成本等。從現狀看，振動機械領域的同步問題研究已經相當全面，主要缺陷仍然集中在“自同步理論”方面，在多電機驅動工作狀態下，仍存在一些尚未有效解決及解釋的問題，比如兩臺電機工作時受到外界力量干預，在不停機的狀態下如何從差異性轉速、位移恢復到統一性轉速、位移狀態，又如多電機中一臺停機后再次啟動，如何與正在運轉的電機仍然保持同步，本文以此為切入點展開探究[1]。

1 多電機驅動振動機械同步理論概述

根據多電機驅動振動機械“不同步”的現象區分，同步理論主要包括兩個研究維度，分別是“同向回轉自同步振動機械的同步理論”和“反向回轉自同步振動機械的同步理論”。為了便于闡述振動機械同步理論內涵，本文以雙電機驅動篩選系統為例，無論是同向回轉或是反向回轉，用于闡述理論的模型都可以簡化為“彈簧—質量”系統，僅考慮平面坐標系（x，y）的振動方程及繞質心O的扭擺方程即可——假定振動質體（宏觀質點）為M，則需要分別明確M的慣性力、阻尼力（運動中）、彈性力和激振力。

振動方程：

扭擺方程：

以上公式及方程中：M為振動機體質量；2m0為兩偏心塊質量和（m0為偏心塊質量）；J為振動機體對質心的轉動慣量；2J0為兩偏心快對機體質心的總轉動慣量；J1和J2分別為軸系1、軸系2轉換到軸1、軸2的轉動慣量；l0為轉軸1、轉軸2到機體中心的距離；c1、c2為電動機1、電動機2換算到軸1、軸2的力矩系數；r為偏心距；ψ0為電動機換算到軸1、軸2的同步轉速；f為阻力系數；k為彈簧剛度。為軸1偏心塊角位移、角速度、角加速度；為軸2偏心塊角位移、角速度、角加速度；為y的方向位移、速度、加速度；為x的方向位移、速度、加速度；為φ方向的位移、速度、加速度；Mf1、Mf2分別為軸1、軸2上的摩擦力矩。

本文選用的雙電機驅動機體狀態下，同向回轉同步與反向回轉同步的穩態解通過微分方程建立，綜合以上（1）～（6）表達式，其中同向回轉、反向回轉同步振動系統微分方程（略去一階微量）穩態解為：

以上為多電機驅動振動機械同步理論的數學解釋方式，受篇幅限制，不再具體探討求解及正向、反向自同步振動系統特性分析。

2 自同步振動機械動響應的實證分析

選用ZZS40-70型振動篩展開自同步振動機械動響應的實證分析，該設備內包括兩臺VB-326-WB電機驅動（帶有偏心塊），機體主要部分由彈簧、支架、篩體和各類連接器構成，如圖1所示。

圖1 ZZS40-70型振動篩（直線）

實證分析過程需要運用B&K振動測試分析系統，分別在振動篩機體的相鄰位置分布加速傳感器，水平、垂直方向各一個，用來測試主振動方向y、水平方向x'、兩電機驅動軸心連線x、垂直方向y'的加速度信號；矢量合成信號表達為如下：

在此基礎上對采樣頻率進行調整，依次調節電源輸出電壓50V、75V、100V，測量加速度信號的變化。

根據測試結果分析，ZZS40-70型振動篩機體的驅動電機為機體質心位于兩軸心聯線中心時，同步現象較為明顯，而在兩電機處于反向穩態回轉時，y方向的直線運動保持良好，而在x方向沒有發生同步振動，仍然需要進一步分析并調整；進入這一階段后，將數據導入模擬試驗臺，通過調節偏心塊的夾角大小，促使激振力大小、幅度符合同步振動需要。研究結果認為，雙電機驅動的振動設備的機械系統要求很高，即便設備機體中所使用的電機是同一型號、同一規格，也可能存在轉速、摩擦阻力距等不同的現象，因此，除了考慮電機產品性能之外，還要為兩臺電機提供高度一致的工作環境，如水平高度的一致性、支架的穩定性等[2-4]。

3 多電機驅動振動機械同步智能控制

由雙電機驅動推導多電機驅動振動機械同步穩態，不難得出這樣的結論，后者設備機體中獨立旋轉的振動電機要保持同步更加困難，且在大多數情況下，是無法通過協調電機物理環境及設備狀態達到自同步條件的。而傳統的控制理論中，主要運用PID控制方法來實現自同步，具體到控制系統設計上，一般在電機1上安裝控制器、變頻調速器，再連接電機2至N，N＞1的電機設備都要安裝傳感器，將綜合信號傳輸到控制器前端，而整個機械系統的末端為篩體。傳統控制思想并不復雜，但要在硬件上實現的難度很大，突出表現是完整設備機體的體積大、占地多、安裝不便，且無法做到快速、便捷的維修調試。隨著工業信息化水平的不斷進步，多電機驅動振動機械同步智能控制被提出來。

在該控制機制中，硬件模塊的設計主要基于單片機的轉速測量系統、電機轉速測量系統、同步控制器電路等實現，其中最為關鍵的就是單片機的轉速測量系統，它解決了傳統控制同步系統中儀表多、組合復雜的困境。同時，單片機在現代工業控制系統中應用非常廣泛，便于展開振動機械同步智能控制的非標化生產，其功能也拓展到了適應控制、數據采集、嵌入處理等方面；從硬件架構上分析，單片機轉速測量系統主要包括系統擴展和系統配置兩個模塊，在系統擴展模塊中加入轉速信號拾取裝置、整型裝置、倍頻裝置等，即可實現信號的有效處理，而系統配置模塊主要包括I/O口及通用外設。

而軟件模塊的設計相對復雜，從成本考慮，基于PID控制器的設計在市場上更為流行，且自身又具有簡單控制結構優勢，特別是應用在雙電機驅動振動機械機體時，其算法簡單、可靠性高的優勢非常明顯。在軟件設計原則上，遵循模糊控制算法策略，而所謂“智能控制”，也主要體現為人類自然語言與機器語言的“模糊表達”，幫助機器學習常規規則及操作經驗。其中核心設計為“模糊規則”，用于指導模糊推理的實現，整個模糊控制系統中最關鍵的模塊為“模糊化”和“解模糊”的正逆處理機制。例如，基于“模糊化—模糊推理（模糊原則）—解模糊”完整流程中，首先由振動機械機體提供一個變量，在處理變量時可乘以一個達到穩態解（7）的比例因子，從而實現輸入量化。相對應的，解模糊的過程中，也需要輸入一個比例因子量化，所得到的輸出變量實際上作為調整多電機驅動不同步狀態的參數。由此不難看出，振動機械運轉的時間越長，所積累的比例因子量化值就越多，對同步穩態的控制有效性就越高，這就是當前許多振動器在開機時噪音較大，而隨著運轉時間增加逐漸進入平穩狀態的原因[5]。

4 結束語

綜上所述，多電機驅動振動機械同步理論對于現代工業的發展具有重要影響，本文通過探索自同步振動篩實例表現，并結合仿真手段提出同步控制機制，具有一定的現實意義。其中，關于智能同步控制的關鍵在于硬件、軟件設計的匹配性，現階段來看工業設備中硬件發展速度要大于軟件更新速度，所謂的智能控制對于模糊控制理論的依賴度較高，而這一結論在雙電機驅動的振動機械質體中效果較好，但無法確保隨著電機數量增加同樣實現有效的同步穩態，所以仍然需要加強人工智能技術在該領域的探索。