新型行車多軸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；3.武漢空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引言

多軸構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制器2部分組成。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)伴隨著數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)出的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，為使執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以到達(dá)平面內(nèi)的任意一點(diǎn)，采用的方法往往是每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向由1臺(tái)實(shí)際伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，多臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)來完成運(yùn)動(dòng)控制[2-3]。然而，當(dāng)某一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上所受的負(fù)載力矩較大時(shí)，該方向上若還是僅采用單臺(tái)伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，很顯然運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性得不到保證。為此，設(shè)計(jì)了新型行車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 新型行車系統(tǒng)構(gòu)成

新型行車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的主視圖和俯視圖分別如圖1和圖2所示。

其中，X軸方向由2臺(tái)伺服電機(jī)A和B共同驅(qū)動(dòng)，2臺(tái)伺服電機(jī)A和B分別安裝在在行車的兩端。2臺(tái)伺服電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，既可以保證提供更大的驅(qū)動(dòng)力矩，又由于2臺(tái)電機(jī)安裝位置的對(duì)稱性使X軸方向的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。而X軸方向平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵在于，伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B在運(yùn)動(dòng)過程中的嚴(yán)格同步。為此，將著重介紹基于虛擬軸技術(shù)的兩軸同步運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法。

圖1 新型行車系統(tǒng)主視圖

圖2 新型行車系統(tǒng)俯視圖

Y軸方向由伺服電機(jī)C帶動(dòng)。3臺(tái)伺服電機(jī)A，B，C一起聯(lián)動(dòng)，則可以帶動(dòng)重物在XY平面內(nèi)完成運(yùn)動(dòng)控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

新型行車控制系統(tǒng)歸根結(jié)底是由3臺(tái)伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成運(yùn)動(dòng)控制功能，當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工安裝完畢以后，整個(gè)行車系統(tǒng)能否完成指定的功能則完全依賴于伺服電機(jī)的性能[4]。

新型行車系統(tǒng)以安川運(yùn)動(dòng)控制器MP2310為核心，通過3臺(tái)安川伺服驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)3臺(tái)伺服電機(jī)的控制。運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器，以及伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服驅(qū)動(dòng)器之間，通過安川電機(jī)公司的MECHATROLINK-II總線進(jìn)行連接。3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的軸編號(hào)依次設(shè)定為1～3，最后1臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器要接終端電阻，用來指示此伺服驅(qū)動(dòng)器為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最后1臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器[5]。3臺(tái)伺服電機(jī)的限位開關(guān)信號(hào)與安川運(yùn)動(dòng)控制器MP2310的I/O口相連，用于在機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)時(shí)，采用程序使伺服電機(jī)緊急停止。

新型行車系統(tǒng)使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，采用以太網(wǎng)與運(yùn)動(dòng)控制器MP2310進(jìn)行連接。用于給運(yùn)動(dòng)控制器MP2310發(fā)送控制與操作指令，以及接收MP2310反饋回來的信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。

整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件組成，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 基于虛擬軸的同步控制實(shí)現(xiàn)方法

常見的多軸同步控制[6]方法主要有2種：對(duì)等控制和主從控制[7]。對(duì)等控制，是最簡(jiǎn)單直觀的一種同步策略，所有伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入來自于同一個(gè)信號(hào)，即主令參考信號(hào)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸在該信號(hào)的控制下并行工作，互不相干。若其中一個(gè)軸受到擾動(dòng)，由此產(chǎn)生的同步誤差只能通過該軸自身的調(diào)節(jié)來減小，其他軸并不會(huì)對(duì)其做出響應(yīng)。并且，該種同步策略，只是要求各軸到達(dá)同一目標(biāo)位置，在每一步運(yùn)行過程中可能并不同步。由此可見，這種同步方式對(duì)于運(yùn)動(dòng)軸自身的跟隨性能有較高要求，且僅適用于受干擾較少的場(chǎng)合。主從式同步方案將運(yùn)動(dòng)軸劃分成主軸和從軸，其中從軸的參考輸入信號(hào)來自于主軸輸出。當(dāng)從運(yùn)動(dòng)軸受到擾動(dòng)時(shí)，主軸不會(huì)對(duì)其有任何響應(yīng)，導(dǎo)致同步誤差得不到及時(shí)修正，且當(dāng)2個(gè)電機(jī)負(fù)載不同時(shí)，同步的效果會(huì)很差。

虛擬軸技術(shù)，是為了實(shí)現(xiàn)精確同步運(yùn)動(dòng)而逐漸發(fā)展起來的一種新型同步運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)[8]。安川運(yùn)動(dòng)控制器MP2310自帶虛擬運(yùn)動(dòng)模塊SVR和實(shí)際運(yùn)動(dòng)模塊SVB，其中，實(shí)際運(yùn)動(dòng)模塊SVB最多可以帶16臺(tái)實(shí)際伺服電機(jī)。由虛擬運(yùn)動(dòng)模塊和實(shí)際運(yùn)動(dòng)模塊組成的系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 虛擬運(yùn)動(dòng)模塊和實(shí)際運(yùn)動(dòng)模塊組成的系統(tǒng)

圖6 位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

運(yùn)用虛擬軸技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步控制的思想是：通過MP2310自帶的虛擬運(yùn)動(dòng)模塊SVR在X軸方向構(gòu)建1根虛擬軸V，虛擬軸V并不與實(shí)際的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器相連接，因此不存在實(shí)際的誤差，可以精確地完成所有的運(yùn)動(dòng)命令。在梯形程序中，把虛擬軸V反饋回來的位置信號(hào)IL8816，賦值給伺服電機(jī)A的位置控制指令信號(hào)OL801C和伺服電機(jī)B的位置控制指令信號(hào)OL809C。因?yàn)樘摂M軸的運(yùn)動(dòng)不存在任何誤差，而在虛擬軸運(yùn)動(dòng)過程中，實(shí)伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B的每一步運(yùn)動(dòng)都嚴(yán)格跟隨虛擬軸，因此在程序的每一個(gè)掃描周期或者整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B都將始終保持著同步。

2.3 多軸聯(lián)動(dòng)控制策略

基于虛擬軸的同步控制只完成了X軸方向的運(yùn)動(dòng)控制，然而，要實(shí)現(xiàn)XY平面內(nèi)的任意曲線運(yùn)動(dòng)，還必須完成X軸與Y軸之間的聯(lián)動(dòng)，也即伺服電機(jī)A和B要與伺服電機(jī)C聯(lián)動(dòng)。

安川運(yùn)動(dòng)控制器MP2310完成多軸曲線運(yùn)動(dòng)，采用的是在運(yùn)動(dòng)程序中通過直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等位置控制指令來實(shí)現(xiàn)[9]。由于新型行車系統(tǒng)X軸方向由2臺(tái)實(shí)際伺服電機(jī)帶動(dòng)，所以很顯然不能直接采用X軸方向?qū)嶋H伺服電機(jī)與Y軸實(shí)際伺服電機(jī)進(jìn)行直接插補(bǔ)，因?yàn)檫@樣X方向2臺(tái)實(shí)際伺服電機(jī)將不能夠保證同步。考慮到X軸方向2臺(tái)實(shí)際伺服電機(jī)跟隨X方向的虛擬軸一起運(yùn)動(dòng)，所以，可以采用X方向的虛擬軸與Y方向的實(shí)際伺服電機(jī)C共同完成插補(bǔ)等位置控制，同時(shí)X方向2臺(tái)實(shí)際伺服電機(jī)跟隨虛擬軸V，這樣就完成了X軸方向的2臺(tái)伺服電機(jī)A和B與Y方向的伺服電機(jī)C之間的聯(lián)動(dòng)。

X軸方向?qū)嶋H伺服電機(jī)A和B跟隨虛擬軸V運(yùn)動(dòng)，虛擬軸V和Y方向?qū)嶋H伺服電機(jī)C共同完成位置控制，整個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)控制策略如圖5所示。

圖5 多軸聯(lián)動(dòng)控制策略

X方向虛擬軸V和Y方向?qū)嶋H伺服電機(jī)C插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，共同組成位置控制系統(tǒng)，如圖6所示。

由運(yùn)動(dòng)控制器MP2310給定虛擬軸V和實(shí)際伺服電機(jī)C平面定位位置插補(bǔ)信號(hào)，對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器而言，該信號(hào)既可以是位置環(huán)的指令信號(hào)，也可以經(jīng)過微分以后變成速度環(huán)的指令信號(hào)；OL8010是伺服驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)指令信號(hào)之一；虛擬軸V由于不與實(shí)際電機(jī)連接，不存在位置誤差，實(shí)際軸C的位移信號(hào)由伺服電機(jī)的編碼器反饋至位置環(huán)的輸入，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

位置環(huán)和速度環(huán)均采用PI進(jìn)行調(diào)節(jié)，位置環(huán)PI控制參數(shù)KP，TI和速度環(huán)PI控制參數(shù)KV，NTI，均可在運(yùn)動(dòng)控制器MP2310進(jìn)行設(shè)定。經(jīng)過位置環(huán)和速度環(huán)的調(diào)節(jié)以后，信號(hào)經(jīng)過電流環(huán)的處理送往伺服電機(jī)，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

2.4 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由計(jì)算機(jī)人機(jī)交互軟件和運(yùn)動(dòng)控制器軟件組成，控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

計(jì)算機(jī)人機(jī)交互軟件用VC++編制，為上位機(jī)軟件，是人機(jī)交互中心和通訊中心。其功能是：

a.控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行選擇、設(shè)定，并通過以太網(wǎng)將控制信息傳送給運(yùn)動(dòng)控制器MP2310。

b.通過以太網(wǎng)，接收運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)來的整個(gè)裝置相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)信息。

c.數(shù)據(jù)顯示模塊將接收到的電機(jī)速度、位置和行程開關(guān)等的實(shí)時(shí)信息，以數(shù)據(jù)更新、指示燈和動(dòng)態(tài)曲線等方法顯示。

運(yùn)動(dòng)控制器軟件用安川的MPE720軟件來編寫，為下位機(jī)軟件。其功能是：

a.通過以太網(wǎng)接收來自上位機(jī)軟件的控制信號(hào)。

b.對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行判斷，以執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng)程序。

c.通過MECHATROLINK-Ⅱ總線，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器的信息交換，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)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

以新型行車系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所帶動(dòng)重物質(zhì)量為100 kg，通過原點(diǎn)復(fù)歸操作設(shè)定X軸方向伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B的原點(diǎn)為最西側(cè)，Y軸方向伺服電機(jī)C的原點(diǎn)為最南側(cè)。按照多軸聯(lián)動(dòng)控制策略編寫3臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)3臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)帶動(dòng)重物，在XY平面內(nèi)按照Y=2X的直線先從(0，0)運(yùn)動(dòng)到(1 000，2 000)，接著再由(1 000，2 000)運(yùn)動(dòng)回(0，0)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中不斷記錄3臺(tái)伺服電機(jī)反饋回來的位置信息，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù) mm

由表1可知，X軸方向的實(shí)際伺服電機(jī)A和實(shí)際伺服電機(jī)B反饋回來的位移差值非常小，說明了基于虛擬軸的2臺(tái)實(shí)際伺服電機(jī)A和B保持了很好的同步關(guān)系；并且，伺服電機(jī)C反饋回來的Y軸方向的位移與伺服電機(jī)A和B反饋回來的X軸方向的位移也基本滿足Y=2X的關(guān)系，與程序中所設(shè)計(jì)的帶動(dòng)重物按照Y=2X直線運(yùn)動(dòng)相符。充分說明了多軸聯(lián)動(dòng)控制策略的可行性。

4 結(jié)束語

以“計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器MP2310”為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)完善的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)?；跇?gòu)建虛擬軸的思想，實(shí)現(xiàn)了兩軸高精度的位置同步控制，并且在兩軸同步控制中，采用的是2個(gè)實(shí)軸對(duì)于虛擬軸的位置跟隨，所以很容易進(jìn)行同步軸系數(shù)量的擴(kuò)展，即很容易擴(kuò)展到多軸同步控制。給出了XY平面三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)位置控制。

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