基于運(yùn)動(dòng)控制器的同步控制方法及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

謝 煒，唐國(guó)元，黃道敏，王 燦

（1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.空軍雷達(dá)學(xué)院，湖北 武漢 430010）

0 引言

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。

而同步控制又是現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域一個(gè)很常見(jiàn)的問(wèn)題。目前實(shí)現(xiàn)同步控制的方法主要有2種，即主從控制方法和對(duì)等控制方法[2]。主從控制，即2個(gè)電機(jī)的關(guān)系為主從關(guān)系，主電機(jī)跟隨指令信號(hào)，從電機(jī)跟隨主電機(jī)的運(yùn)動(dòng)采集信號(hào)。對(duì)等控制，即2個(gè)軸均直接跟隨指令信號(hào)。

1 同步系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

圓筒狀支撐臺(tái)兩側(cè)各裝有1個(gè)大型滾子軸承，2個(gè)軸承外圈上均通過(guò)過(guò)盈配合安裝圓形套圈，2個(gè)內(nèi)齒圈分別固定在2個(gè)套圈內(nèi)側(cè)。配置有2套驅(qū)動(dòng)軸系，分別由伺服電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和驅(qū)動(dòng)小齒輪組成。2套驅(qū)動(dòng)軸系通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)安裝于軸承外圈的套圈轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)自帶有13位增量式編碼器。由于在系統(tǒng)的實(shí)際工作過(guò)程中，會(huì)根據(jù)工作需要將前后套圈進(jìn)行剛性聯(lián)接，所以要求2個(gè)套圈的轉(zhuǎn)動(dòng)同步，否則會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力和變形。圓形套圈外側(cè)，可根據(jù)需要用螺栓固定質(zhì)量塊，以模擬不同的負(fù)載。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

為了實(shí)現(xiàn)2套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的高精度同步，以及對(duì)同步運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、比較觀察，故選擇以“工控機(jī)＋運(yùn)動(dòng)控制器”作為同步系統(tǒng)的構(gòu)建方式。如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成

每側(cè)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括1臺(tái)伺服電機(jī)和與之配套的驅(qū)動(dòng)器用于提供動(dòng)力。電機(jī)選用安川SGMJV系列交流伺服電機(jī)，是一種中慣量、小容量伺服性旋轉(zhuǎn)電機(jī)。額定輸出為200W，額定轉(zhuǎn)速為3 000r／min，內(nèi)置13位增量型串行編碼器。伺服驅(qū)動(dòng)器為安川SGDV-1R6A11A系列，最大適用電機(jī)容量為200W。傳送速度為10Mbit／s，傳送周期為250μs～4ms（通過(guò)上位工控機(jī)設(shè)定），實(shí)現(xiàn)了最多30站的高速控制。

運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器配合實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)向運(yùn)動(dòng)控制器輸入控制指令，運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)指令進(jìn)行分析換算，再將信號(hào)輸出給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制指令，以及伺服電機(jī)編碼器提供的反饋信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。選用安川MP2310控制器，能實(shí)現(xiàn)多軸之間同步和插補(bǔ)等多種復(fù)雜的配合運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器之間用MECHATROLINK-Ⅱ總線連接。工控機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間采用“擴(kuò)展Memobus”的通訊協(xié)議。

2.2 同步控制的實(shí)現(xiàn)方法

目前，大多數(shù)同步控制的實(shí)現(xiàn)均選用主從控制。主從控制的缺點(diǎn)是：對(duì)主電機(jī)性能要求比較高，當(dāng)主電機(jī)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，從電機(jī)也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，且當(dāng)2個(gè)電機(jī)負(fù)載不同時(shí)，則同步的效果會(huì)很差。系統(tǒng)中，選用對(duì)等控制方式，即2套軸系分別獨(dú)立跟隨控制器的指令信號(hào)。用對(duì)等控制方式實(shí)現(xiàn)兩軸同步時(shí)，其關(guān)鍵在于：每一個(gè)軸是否能在各種干擾下仍然能精確跟隨指令，而能否精確跟隨指令的關(guān)鍵又在于伺服驅(qū)動(dòng)器的控制方法。

伺服驅(qū)動(dòng)器一般有3種控制方式，即速度控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式和位置控制方式。伺服控制環(huán)節(jié)一般為3個(gè)環(huán)控制，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。為此，使用新型的相位控制方式，能很好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟隨。

對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，相位控制的控制指令分別控制了伺服驅(qū)動(dòng)器的位置環(huán)和速度環(huán)；也就是說(shuō)，相位控制不是單純的位置控制或者是速度控制，而是將位置控制信號(hào)和速度控制信號(hào)有機(jī)地結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生一種新的、復(fù)合的控制方式[3]。其控制原理如圖3所示。

圖3 相位控制方式的原理

系統(tǒng)進(jìn)行相位控制時(shí)，由控制器給出速度指令值（對(duì)應(yīng)指令值存放在寄存器OL8010中），對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器而言，它既可以是位置環(huán)的指令信號(hào)，也可以是速度環(huán)的指令信號(hào)；OL8028為相位補(bǔ)償值，是伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器位置環(huán)指令信號(hào)之一；位置偏差值指實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移與指令位置之間的偏差，由伺服驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)計(jì)算，并反饋至控制器的寄存器OL801A中，其中實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移是由編碼器的返回信號(hào)經(jīng)計(jì)算后得出的。系統(tǒng)中將“位置偏差值”賦給“相位補(bǔ)償值”，即每個(gè)循環(huán)中，檢測(cè)位置偏差的數(shù)值，然后用相位補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行偏差補(bǔ)償，從而使實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移與指令值保持絕對(duì)一致。

在相位控制的位置環(huán)中，速度指令值（OL8010）經(jīng)過(guò)積分求和運(yùn)算，得出位置指令值。經(jīng)過(guò)濾波器，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器位置環(huán)。一方面，該位置指令值經(jīng)過(guò)微分、前饋增益和前饋濾波器環(huán)節(jié)，形成指令位置的前饋；另一方面，經(jīng)過(guò)位置環(huán)增益和位置積分環(huán)節(jié)，即PI調(diào)節(jié)后輸出（PI控制參數(shù)KP，TI的數(shù)值可在運(yùn)動(dòng)控制器中設(shè)置）。另外，將伺服電機(jī)自帶的編碼器的脈沖反饋到位置環(huán)中，形成負(fù)反饋。

在相位控制的速度環(huán)中，速度指令值一方面經(jīng)過(guò)單位轉(zhuǎn)換，換算成驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)的指令值，即形成速度前饋；另一方面，經(jīng)過(guò)速度環(huán)增益和速度積分，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)輸出（PI控制參數(shù)KV，NTI的數(shù)值可在運(yùn)動(dòng)控制器中設(shè)置）。

經(jīng)過(guò)了位置環(huán)和速度環(huán)的調(diào)節(jié)，最終將信號(hào)經(jīng)過(guò)電流控制部（即電流環(huán)）的處理，再輸送到伺服電機(jī)中，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這樣，就完成了完整的相位控制過(guò)程。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)用VC6.0設(shè)計(jì)，是人機(jī)交互中心和通訊中心。在系統(tǒng)界面中，左側(cè)為機(jī)械的三維圖形顯示區(qū)；中上部分為控制區(qū)；中下部分為參數(shù)顯示區(qū)；右側(cè)為軸承的速度曲線和位移曲線。軟件具體實(shí)現(xiàn)方法為：

a.與運(yùn)動(dòng)控制器的通訊。在VC＋＋平臺(tái)采用Socket編程，完成信息的發(fā)送和接收。運(yùn)動(dòng)控制器中，利用MP2310通訊模塊的自動(dòng)接收功能，完成來(lái)自上位機(jī)的信息讀取和寫入。

b.界面交互與控制的實(shí)現(xiàn)。控制區(qū)包括對(duì)系統(tǒng)流程操作以及每個(gè)機(jī)構(gòu)的單步操作，利用Visual C＋＋的消息響應(yīng)功能，完成每一個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)操作，并傳送至運(yùn)動(dòng)控制器，在控制器中進(jìn)一步處理，最終輸出至伺服驅(qū)動(dòng)器中。

c.三維圖形顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)及曲線的繪制實(shí)現(xiàn)。通過(guò)以太網(wǎng)，接收運(yùn)動(dòng)控制器傳來(lái)的整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)信息，包括電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移、行程開關(guān)的狀態(tài)等，并以指示燈、動(dòng)態(tài)曲線（用TeeChar控件實(shí)現(xiàn)）和實(shí)時(shí)三維圖形跟隨（用Open-GL鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)）等方式顯示[4]。

下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器軟件實(shí)現(xiàn)的功能是：通過(guò)以太網(wǎng)接收來(lái)自上位機(jī)軟件的控制信號(hào)；通過(guò)MECHATROLINK-Ⅱ總線，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字I／O模塊的信息交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)以及對(duì)直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和行程開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)等，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置按照指定的流程運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)集機(jī)械、計(jì)算機(jī)控制和傳感器技術(shù)為一體的系統(tǒng)，用來(lái)驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的同步控制系統(tǒng)是否能有效運(yùn)行，并定量分析其同步精度。

設(shè)置2個(gè)驅(qū)動(dòng)軸從零速開始加速至額定轉(zhuǎn)速3 000r／min，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，減速停止。然后，向相反方向重復(fù)此過(guò)程。試驗(yàn)中不斷記錄兩軸實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)。伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為8 192，驅(qū)動(dòng)軸系中，減速比為4 000∶1。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

由表1可以看出，兩軸的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖數(shù)與理論脈沖數(shù)的差值非常小，即都能非常精確地跟隨指令，所以兩軸之間的差值也非常小，很好地實(shí)現(xiàn)了同步功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

以運(yùn)動(dòng)控制器為核心，以相位控制方式為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個(gè)完善的集操作、監(jiān)控為一體的同步控制試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)兩軸精確同步。另外，由于系統(tǒng)選擇的是對(duì)等控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，所以很容易進(jìn)行同步軸系的擴(kuò)展，即在此基礎(chǔ)上可較方便實(shí)現(xiàn)多軸同步控制。

[1]徐 鑫.數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展及趨勢(shì)[J].裝備制造技術(shù)，2011，（6）：121-123.

[2]黎小巨，黃健求，莊遠(yuǎn)向，等.基于TMS320LF2407的不對(duì)稱負(fù)載下的位置同步控制[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，（1）：135-137.

[3]安川電機(jī).AC伺服驅(qū)動(dòng)器E-V系列用戶手冊(cè)[Z].

[4]Sanderson M J.An OpenGL 3Dphylogeny browser[J].Bioinformatics，2006，22（8）：1004-1006.