獨(dú)立平行兩軸的同步控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳國華

（北京清大天達(dá)光電科技股份有限公司，北京 101204）

獨(dú)立平行兩軸的同步控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳國華

（北京清大天達(dá)光電科技股份有限公司，北京 101204）

本文采用一種新型的全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，完成對(duì)直線電機(jī)高速度、高精度的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩軸高速運(yùn)動(dòng)同步控制的功能。實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)和設(shè)備在產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)行說明，該系統(tǒng)同步性能好，誤差率低，具有實(shí)時(shí)性和快速性，得到了客戶的好評(píng)。

直線電機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制器 兩軸同步控制

引言

本文將現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的代表性技術(shù)——直線伺服控制技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)相結(jié)合，研究出一種高速度、高精度、集控制和管理于一體的柔性、開放性的兩軸同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 同步控制原理

在龍門架構(gòu)系統(tǒng)中，一般采用機(jī)械連接結(jié)構(gòu)即機(jī)械同步控制方式來控制龍門兩側(cè)的伺服電機(jī)同步運(yùn)行。從電氣上講，這兩臺(tái)電機(jī)實(shí)際各自獨(dú)立，由PLC或運(yùn)動(dòng)控制卡向兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。本設(shè)計(jì)中，因?yàn)辇堥T上方還有一個(gè)橫向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)軸，且該電機(jī)軸在縱向位置上不能移動(dòng)，所以龍門兩側(cè)的電機(jī)軸不能使用機(jī)械硬連接的方式連接起來。在這種情況下，龍門兩側(cè)的電機(jī)軸要做到同步運(yùn)行，并且電機(jī)運(yùn)行速度達(dá)到1500mm/s以上；位置偏差達(dá)到10μm，同步偏差達(dá)到5μm，就必須在電氣控制方面做出獨(dú)特的設(shè)計(jì)。一般情況下，電氣上的兩軸同步控制采用的是軟件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式。圖1所示的是采用伺服驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)控機(jī)床雙軸運(yùn)動(dòng)同步控制的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 軟件主從控制方式

基本工作原理。兩個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的電機(jī)軸隨機(jī)設(shè)定其中一個(gè)電機(jī)軸為主動(dòng)軸，另一個(gè)即為從動(dòng)軸。電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)動(dòng)控制器將比較從動(dòng)軸反饋回來的實(shí)際位置和主動(dòng)軸反饋回來的實(shí)際位置，然后將此位置偏移修正到從動(dòng)軸的指令位置。這樣經(jīng)過不斷比較、修正，當(dāng)位置偏移為零時(shí)，表明兩個(gè)軸的位置完全同步。

上面的同步控制方式，能達(dá)到的控制精度主要在于補(bǔ)償量的計(jì)算。若補(bǔ)償準(zhǔn)確、及時(shí)，則同步性能好，反之則差。而定位精度則主要取決于主軸的定位精度。主軸的定位精度高，同時(shí)同步性能好，則從軸的定位精度也不會(huì)太差。這兩個(gè)條件差一個(gè)，整臺(tái)設(shè)備的定位精度都很難達(dá)到預(yù)定要求。因此，本設(shè)計(jì)中放棄了傳統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的兩軸同步控制方式，而是采用軟硬件配合，全閉環(huán)控制，預(yù)先設(shè)定一個(gè)虛擬主軸，龍門兩側(cè)的兩軸均以虛擬主軸為基準(zhǔn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)，補(bǔ)償位置偏移，如圖2所示。

圖2 虛擬主從同步控制原理圖

工作原理：運(yùn)動(dòng)控制器預(yù)先設(shè)定一個(gè)不存在的運(yùn)動(dòng)軸，即虛擬主軸，實(shí)際存在的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸為從軸。當(dāng)控制器軟件命令“LOCK X Y”啟動(dòng)后，兩軸接收到的指令位置（第一設(shè)置點(diǎn)）相同，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按照接收到的指令信號(hào)運(yùn)行。但是，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，因?yàn)閷?dǎo)軌或電機(jī)定子加工和安裝的細(xì)微差別，兩個(gè)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行位置也會(huì)存在差別。運(yùn)動(dòng)控制器接收到光柵反饋回來的實(shí)際位置后，兩軸的反饋位置相減，得到兩軸實(shí)際位置偏移。把這個(gè)實(shí)際位置偏移加到指令位置中，形成新的指令位置，通過運(yùn)動(dòng)控制器控制回路傳送到直線電機(jī)，得到電機(jī)的實(shí)際位置。這樣，電機(jī)在運(yùn)行過程中，控制器以其處理器的最高運(yùn)算頻率為基礎(chǔ)，反復(fù)修正電機(jī)的實(shí)際位置，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制器所能保證的同步性能。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用“PLC+運(yùn)動(dòng)控制器”的硬件結(jié)構(gòu)，以自帶高速DSP處理器的運(yùn)動(dòng)控制器為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，PLC觸發(fā)事件，即“PLC+運(yùn)動(dòng)控制器”模式。PLC負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的事件觸發(fā)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等工作，運(yùn)動(dòng)控制器完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)。本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器采用的是美國Park汗尼芬公司的ACR9000U1P8M0運(yùn)動(dòng)控制器。

該控制器具備以下特性：

（1）每臺(tái)控制器最多可同時(shí)控制8個(gè)電機(jī)；

（2）具備10/100 Base-T Ethernet功能；

（3）USB 2.0；

（4）兼容Ethernet/IP；

（5）自帶CANOpen擴(kuò)展I/O。

圖3所示為本機(jī)采用的全閉環(huán)兩軸同步控制系統(tǒng)。

圖3 全閉環(huán)兩軸同步控制系統(tǒng)硬件示意圖

該系統(tǒng)的位移檢測(cè)裝置采用的是相對(duì)光柵尺，精度為5μm/Pulse。通過光柵尺可以實(shí)時(shí)檢測(cè)直線電機(jī)的位移信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)過光柵尺內(nèi)部放大電路的處理后，得到相位差為90°的兩路位移脈沖信號(hào)，其頻率與直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度成正比，數(shù)值為直線電機(jī)的實(shí)際位移量除以一個(gè)脈沖當(dāng)量。

運(yùn)動(dòng)控制器接到上位機(jī)的事件觸發(fā)指令后，向兩臺(tái)直線伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位移運(yùn)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，使直線電機(jī)按照對(duì)應(yīng)的頻率和線位移運(yùn)行。相對(duì)光柵尺的兩路位移脈沖信號(hào)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成反饋環(huán)。位移脈沖被運(yùn)動(dòng)控制器中的可逆計(jì)算器進(jìn)行計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)器中的數(shù)值表示直線電機(jī)的當(dāng)前實(shí)際位置。運(yùn)動(dòng)控制器的作用是根據(jù)定位指令值與實(shí)際反饋值之差，按控制器設(shè)計(jì)的控制規(guī)律控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行，以保證設(shè)備的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)際位移，實(shí)時(shí)跟隨定位指令值的變化。

3 軟件控制實(shí)現(xiàn)

圖4 軟件程序流程圖

運(yùn)動(dòng)控制器的軟件實(shí)現(xiàn)包括運(yùn)動(dòng)程序控制和PLC通信兩個(gè)部分。運(yùn)動(dòng)程序完成運(yùn)動(dòng)控制器所控制的所有軸的運(yùn)動(dòng)，包括單軸以及兩軸同步的點(diǎn)動(dòng)、回零、相對(duì)定位等伺服運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上位PLC下發(fā)的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制器將自動(dòng)計(jì)算出各軸單動(dòng)時(shí)的加減速時(shí)間和勻速運(yùn)行時(shí)間，調(diào)整出一個(gè)符合設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需的平滑運(yùn)動(dòng)曲線，并將此曲線的參數(shù)保存。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)兩軸同步運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)軟件的程序控制命令“Lock Y X”。運(yùn)動(dòng)控制器收到該軟件指令后，與其對(duì)應(yīng)的硬件回路開始運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣就將需要同步的兩個(gè)單軸鎖定在一起。在解鎖之前，這兩個(gè)單軸從程序控制的角度來說就是一個(gè)軸，其對(duì)應(yīng)所有的點(diǎn)動(dòng)、回零和定位運(yùn)動(dòng)等，都只要將運(yùn)動(dòng)參數(shù)賦予X軸即可。同時(shí)，因?yàn)榇丝刂泼顚?duì)應(yīng)的同步方式為虛擬主從同步控制機(jī)制，同步軸調(diào)試完成后的絕對(duì)定位精度可以達(dá)到±2Plus，實(shí)時(shí)同步精度可以達(dá)到±1Plus。這些數(shù)據(jù)在出廠前的試運(yùn)行和出廠后的客戶實(shí)際運(yùn)行中均得到了驗(yàn)證。

運(yùn)動(dòng)控制器的PLC通信部分則負(fù)責(zé)接收從上位PLC下發(fā)的“事件觸發(fā)指令”（I/O觸發(fā)）和各軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。同時(shí)，將實(shí)際運(yùn)行時(shí)各軸的運(yùn)行狀態(tài)上傳到上位PLC。這兩項(xiàng)是通過PLC和運(yùn)動(dòng)控制器之間的Ethernet通信協(xié)議完成的。運(yùn)動(dòng)控制的程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

以DSP或FPGA芯片為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，其運(yùn)動(dòng)控制功能由硬件電路實(shí)現(xiàn)，控制性能和運(yùn)動(dòng)精度由核心處理器的運(yùn)算能力決定。這種運(yùn)動(dòng)控制器集成了強(qiáng)大的運(yùn)算功能、穩(wěn)定的糾錯(cuò)能力，同時(shí)也簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)控制的指令編寫復(fù)雜性。當(dāng)接到上位PC或PLC下發(fā)的事件觸發(fā)指令時(shí)，它就可以獨(dú)立完成與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的控制，從而簡(jiǎn)化上位控制設(shè)備的程序編寫和調(diào)試難度。這不僅縮短了新設(shè)備的研發(fā)周期，還能更好地達(dá)到全閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)也能夠滿足對(duì)高速直線電機(jī)的控制要求。將運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用到兩軸同步控制領(lǐng)域，既是兩軸同步控制領(lǐng)域的一種新嘗試，也為兩軸同步控制提供了一種新的選擇與創(chuàng)新。

[1]王家軍，齊東蓮.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].電氣時(shí)代，2004，（10）：50-52.

[2]舒志兵.運(yùn)動(dòng)控制新技術(shù)[J].電氣時(shí)代，2004，（10）：54-56.

Optimization Design of Synchronous Control System of Independent Parallel Axes

WU Guohua
(Beijing Tianda photoelectric Polytron Technologies Inc, Beijing 101204)

In this paper, a new full closed loop motion control system, complete control of linear motor with high speed and high precision, so as to realize the high speed movement of the two axis synchronization control function. Experimental data and equipment in the production line of the actual operation shows that this system has good synchronization performance, low error rate, with realtime and fast, get the customer's praise.

linear motor, motion controller, two axis synchronous control