雙軸同步控制

1、雙軸同步控制技術(shù)的研究曹毅 周會(huì)成 唐小琦（華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程研究中心，湖北武漢012230）摘要：介紹了基于 Linux數(shù)控系統(tǒng)的雙軸同步控制技術(shù)，雙軸同步控制方式以及同步補(bǔ)償算 法，并在華中數(shù)控的世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)下對(duì)同步控制方式及算法進(jìn)行了調(diào)試、驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：雙軸同步補(bǔ)償算法主動(dòng)軸從動(dòng)軸隨著數(shù)控技術(shù)的推廣，大型數(shù)控設(shè)備被廣泛地用于各種機(jī)械加工領(lǐng)域以滿足一些體積較 大、精度較高、生產(chǎn)周期要求短的工件的加工需求。對(duì)于這些大型的龍門(mén)式和橋式數(shù)控設(shè)備來(lái)講，雖然在這些情況下可以采用單電動(dòng)機(jī)通過(guò)錐齒輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)雙邊的方案，但是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、間隙較大，容易造成閉環(huán)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且運(yùn)

2、行噪聲大，維護(hù)困難。因 此宜采用雙軸驅(qū)動(dòng)的方式。所謂同步控制，就是一個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)指令能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)量的檢測(cè)， 將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補(bǔ)償。其目的是將主、從兩個(gè)電動(dòng)機(jī)之間的位移偏差量控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。1雙軸同步控制方式1.1 軟件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式圖1所示的是采用交流伺服驅(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。其基本工作原理是：將兩個(gè)同方向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給軸，一個(gè)設(shè)定為主動(dòng)軸， 另一個(gè)設(shè)定為從動(dòng)軸，由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成主動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路，同時(shí)由另一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、另一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、另一個(gè)

3、位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路。CNC的位置控制單元同時(shí)向主動(dòng)軸及從動(dòng)軸的伺服控制回路發(fā)出位置伺服運(yùn)動(dòng)指令。兩個(gè)位置反饋裝置的反饋信號(hào)除了送回各自的伺服驅(qū) 動(dòng)器比較環(huán)，還送入 CNC內(nèi)部的一個(gè)數(shù)字比較器進(jìn)行差值比較，該差值送入從動(dòng)軸伺服控 制回路的輸入端，與 CNC位置控制單元發(fā)來(lái)的位置伺服指令進(jìn)行比較。兩個(gè)位置反饋裝置 的反饋信號(hào)差值就是主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的同步誤差。差值為零時(shí)，表明兩個(gè)軸的位置完全同步。RTlktl 叭LHI1軟件t!從挖制方式2.2硬件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式圖2是采用交流伺服驅(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。其基本工作原理是：將兩個(gè)同方向運(yùn)動(dòng)

4、的進(jìn)給軸串聯(lián)在一起，一個(gè)由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、 一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、一個(gè)位置反饋裝置及 CNC位置控制單元組成第一級(jí)伺服運(yùn)動(dòng)控制回路，同時(shí)由另一個(gè)伺服驅(qū) 動(dòng)器、另一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、另一個(gè)位置反饋裝置組成第二級(jí)伺服運(yùn)動(dòng)控制回路。其中，前一級(jí)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整后直接送入下一級(jí)回路，作為下一級(jí)的輸入，該信號(hào)跟第二級(jí)回路反饋的信號(hào)進(jìn)行比較，這樣實(shí)際上比較的是兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的位置反饋信號(hào)。兩種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。 采用軟件主從方式時(shí)， 分別對(duì)兩個(gè)回路進(jìn)行控制， 再將兩個(gè) 回路的位置反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理后將補(bǔ)償量送入從動(dòng)軸，這種方式響應(yīng)迅速，能及時(shí)地調(diào)整雙軸的不同步狀態(tài)，但是，由于處理的數(shù)據(jù)量大，相對(duì)來(lái)說(shuō)給系統(tǒng)造成了一

5、定的負(fù)擔(dān)；采 用硬件主從方式時(shí)，直接將前一級(jí)的輸出信號(hào)給下一級(jí)回路，隨動(dòng)軸的調(diào)整由伺服來(lái)完成， 系統(tǒng)只需在插補(bǔ)周期結(jié)束時(shí)發(fā)送一定的數(shù)據(jù)即可，系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)減輕了，但是由于信號(hào)從第一級(jí)傳到第二級(jí)時(shí)有一定的延時(shí)，并且伺服調(diào)整也需要一點(diǎn)時(shí)間，這就使得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，當(dāng)機(jī)床的速度很高時(shí)，極易造成事故。因此，兩種控制方式要根據(jù)實(shí)際情況的不同有所取舍。畀的輸山動(dòng)罠超件片從種制対式2雙軸同步控制算法雙軸同步控制的關(guān)鍵在于補(bǔ)償量的計(jì)算，以何種算法來(lái)計(jì)算補(bǔ)償值，對(duì)雙軸的同步有直接的影響。若補(bǔ)償準(zhǔn)確、及時(shí)，則同步性能良好，此時(shí)定位精確，加工出來(lái)的產(chǎn)品自然就會(huì) 高質(zhì)量；相反，補(bǔ)償遲鈍，補(bǔ)償量不準(zhǔn)，極有可能造成系

6、統(tǒng)振蕩，從而引發(fā)事故。2.1簡(jiǎn)單的同步補(bǔ)償算法所謂簡(jiǎn)單的同步補(bǔ)償算法， 就是實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地獲取雙軸編碼器或光柵尺反饋至數(shù)控系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)，并根據(jù)雙軸的位置反饋值， 實(shí)時(shí)計(jì)算雙軸的差值，將所得的差值對(duì)從動(dòng)軸進(jìn)行補(bǔ)償。 即補(bǔ)償量=主動(dòng)軸位置-從動(dòng)軸位置這種算法計(jì)算量極小，耗費(fèi)系統(tǒng)資源少。但是，這種只對(duì)當(dāng)前插補(bǔ)周期內(nèi)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 求差補(bǔ)償，而不考慮雙軸差值的變化趨勢(shì)，會(huì)造成系統(tǒng)振蕩。采用56"控制，綜合考慮了誤差以及誤差的變化趨勢(shì)，在這個(gè)方面就有所改進(jìn)。2.2 PID算法在同步補(bǔ)償中的應(yīng)用PID控制就是比例、積分、微分控制。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)

7、態(tài)誤差。比例放大系數(shù)加大， 會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累誤差，輸出控制量，以消除誤差。積 分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制可減小超調(diào)量，克服振蕩， 使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間。由于積分環(huán)節(jié)在大幅增減時(shí)，短時(shí)間系統(tǒng)會(huì)輸出很大的偏差，致使雙軸的偏差超過(guò)了所允許 的最大值，本文使用積分分離的56"控制算法來(lái)計(jì)算從動(dòng)軸的補(bǔ)償值，并在后面的實(shí)驗(yàn)中給予驗(yàn)證。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)積分分離的 56"控制算法的表達(dá)式如下"二 h e o 得心門(mén) 4；匝 Q)-梓 f - n yII-冃1

8、/”i'1 I m w 止 jb i m > 兒.式中I 采樣序號(hào)，i=0、1、2、3e (i)第i次采樣時(shí)刻誤差計(jì)算器輸出的位置偏差u ( i)第i次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出的控制值Ti 積分系數(shù)Td 微分系數(shù)Kp 比例系數(shù)T 采樣周期項(xiàng)為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)。程序流程見(jiàn)圖3。rrorCnciu 9 at d IJrm嶺.T、 世"0焉 n tenPD nil一一 T:if 4 =4'k-X*i'i'1+xP I工 11 1|1a11"":_-TMM：if H 4 學(xué)懈似町-燈#=卡町視什_旳_訂1+才3雙軸同步控制實(shí)驗(yàn)調(diào)試根據(jù)檢驗(yàn)

9、雙軸同步控制方式和算法的需要，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)所選擇的控制方式和算法進(jìn)行驗(yàn)證。3.1測(cè)試條件一臺(tái)世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng) HNC-22MF,兩臺(tái)HSV-16-020型伺服驅(qū)動(dòng)器，兩臺(tái)GK6040-6AC31-FE 型伺服電動(dòng)機(jī)，指令和反饋均為A+B方式，脈沖指令分辨率為 40000c/r，編碼器分辨率為10000c/r。其中TO和T1為從世紀(jì)星發(fā)出的指令信號(hào)，F(xiàn)0和F1為從伺服驅(qū)動(dòng)反饋給系統(tǒng)的脈沖信號(hào)，F(xiàn)0'為電動(dòng)機(jī)0反饋至伺服驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，分線器起信號(hào)轉(zhuǎn)移的作用。利用研華 PCI1784計(jì)數(shù)卡對(duì)雙軸指令和編碼器反饋脈沖進(jìn)行采樣，采樣周期為1ms。原理圖如圖4。代圮hl隔試岬理惘3.2測(cè)試內(nèi)容與結(jié)

10、果(1)驗(yàn)證F0與F0'是否相同數(shù)控系統(tǒng)指令信號(hào)為三角波，測(cè)得F0和F0'的波形如圖5所示。結(jié)果表明，F(xiàn)0和F0'無(wú)誤差，電動(dòng)機(jī)到伺服部分的編碼器信號(hào)與伺服到數(shù)控系統(tǒng)的編碼器信號(hào)為完全相同的信號(hào)。wlO*lOODHzXiraj+ LDODHsIIIII1IIIL0r2Q沖 OSI.2 1.4I ,&2時(shí)m噺堆 h'2OO mm/s 300 mm/s時(shí)FG黑Fl的槍移(2) F0和F1的比較以指令位移 200MM，指令加速度1000MM/SA2，指令速度分別為 50MM/S、100MM/S、 200MM/S和300MM/S驅(qū)動(dòng)0軸和1軸電動(dòng)機(jī)按直線型加減速

11、運(yùn)動(dòng)， 測(cè)得F0和F1位移誤差 如表1所示。圖6為空載下200MM/S和300MM/S時(shí)F0和F1的位移誤差曲線，圖 7為雙 軸負(fù)載都為1.5N/M，快移速度為 200MM/S和300MM/S時(shí)F0和F1的位移誤差曲線。；/*： 100019100,511.5UlM/i瑤梅W（審IWQHzC0.4Q.60.81itJH200 mm/s. 300 mm/s時(shí)結(jié)果表明，空載情況下，對(duì)于相同的數(shù)控指令，兩相同電動(dòng)機(jī)編碼器反饋位移總量相等。 但發(fā)送過(guò)程中，每一采樣周期會(huì)出現(xiàn)范圍為-3, 3個(gè)脈沖的誤差。應(yīng)認(rèn)為在空載情況下具有較好的同步性；當(dāng)電動(dòng)機(jī)端加上負(fù)載時(shí)，每個(gè)采樣周期會(huì)出現(xiàn)范圍為-5, 5個(gè)脈沖-

12、4, 3個(gè)脈沖誤差，對(duì)于誤差，加負(fù)載后對(duì)從動(dòng)軸進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，每個(gè)采樣周期都會(huì)出現(xiàn) 雙軸的同步性起到了一定的效果。表1不同速度時(shí)兩軸反饋位移誤差（位移誤差單位：脈沖數(shù)）lOd* ihm/首2lH rnlit '-Huh 'hi【3的帥血數(shù)、r-4.3I門(mén)恆移諜遵范圍r-2 2-2.3-4.21（3）TO和F0的比較以指令位移 200MM，指令加速度1000MM/SA2，指令速度分別為 50MM/S、100MM/S、 200MM/S和300MM/S驅(qū)動(dòng)0軸和1軸電動(dòng)機(jī)按直線型加減速運(yùn)動(dòng)，測(cè)得TO和F0的位移比較曲線如圖8所示，從圖8可以看出，測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)延約為5ms,說(shuō)明硬件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式對(duì)我們的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，延時(shí)太長(zhǎng)，因而本文采用了軟件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式。(SOmffl/s)-niAJStt (Mmm/s) “ (300mm/a) 。幫反it (300mm7B)1.B+QS4.94<63954M9<53034.S581,63754,83713654.8364 »355X JO1.1795r I 11 TW T I 1 '1.1791785p idd ! i 1.1781.17751.L770.W3 0094 0型 5 0.5 0«7 0.49