雙驅動電動推桿加載同步控制技術

陳東生

( 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900)

如圖1 所示，是一個龍門結構形式的升降機構，在該機構中，采用兩個電動推桿雙驅動控制機械裝置進行加載，由于推桿與加載裝置之間是剛性連接，系統對兩個電動驅動的推桿有一個同步要求，否則機械裝置會受到破壞。該升降機構對工件需施加一噸多的壓力，這時候仍然必須保證升降機構的運動位置保持同步，以達到均勻施加載荷的目的。電動推桿只是一個推力裝置，并不是一個定位裝置，這就對該同步控制設計提出了一個難題。另外為滿足設備工作位置初始化和設備校準需要，升降機構還需具有同步回零功能。

圖1 升降機構簡圖

作者針對特定裝置提出了同步控制方案，以供大家借鑒。

1 雙驅動電動推桿同步控制系統硬件構架

整個硬件系統由5 個部分組成:

(1)運動控制系統。采用上下位機結構的開放式數控系統，由PC (上位機)、6K 控制器和PLC(下位機)組成。下位機6K 控制器實現如插補運算、位置控制、速度控制、多軸運動控制、操作面板開關量和運動狀態的輸入輸出處理以及運動邏輯功能等實時性功能;PLC 主要完成電動推桿同步超差保護控制功能。

(2)驅動系統。由安川驅動器和安川電機組成。

(3)測量反饋系統。由電機編碼器、減速機處編碼器、電動推桿處接觸式位移傳感器、RS485 轉RS232 通訊接口組成。電機編碼器信號反饋到驅動器，構成速度環;減速機處編碼器信號反饋到6K 控制器，構成位置環;電動推桿處接觸式位移傳感器通過RS232 將位置信號反饋到工控機。

(4)傳動裝置與執行機構。減速機可以提高電動推桿的輸出扭矩，兩個電動推桿是整個測控系統控制的最終執行機構，電動推桿將電機的旋轉運動轉化為推桿的直線運動。兩個電動推桿之間使用剛性連接，正因為它們的剛性連接，才對同步提出了較高的要求。兩個電機同步運行，并聯驅動電動推桿作一個方向的直線運動。圖2 為系統的控制框架。

圖2 測控系統構架圖

2 雙驅動電動推桿加載同步控制技術

兩軸同步控制，顧名思義就是要兩個軸的運動是一致的。該裝置需要兩個軸的位置要一致。要實現兩軸的位置同步，必須要啟動同步、停止同步、速度同步、加速度同步。

在實際設計中，有兩種方法可以實現兩軸的位置同步:一種是機械同步，機械同步一般不用在高精度同步控制中;另一種是電子控制同步，使用可編程的步進或伺服電機系統替代機械同步傳動部分，同步軸由各自的電機驅動，兩軸的速度和位置同步關系由控制器來控制。電子控制同步可以很容易改變同步軸的同步關系，并且沒有齒隙和齒輪磨損等問題出現，它減少了同步機械裝置，并且使用閉環或半閉環控制，提高了控制同步精度。

該系統采用電子同步控制技術，其核心是控制器的精確控制和各伺服軸的精密定位。以下是一些運用在加載中的同步控制方法，實際運行時非常有效，其同步精度可控制在10 μm。

(1)機械結構優化

該系統執行機構是電動推桿，由于電動推桿沒有很好的導向，即使有導向，其導向精度也不會太高，另外在推桿推出一定行程后，它就成為一個懸臂機構了。文中要求的同步控制目的:①保證在加載時兩個桿同時受力不至于機械受損;②解決兩個桿不平衡會導致加載壓力不均勻的問題。

由此，加載時的同步控制必須要考慮到機械機構，主要是推桿要有一定的剛性，要足夠粗，在給定的加載壓力下彎曲要非常小;另外，需要設計裝配保證兩個推桿之間具有良好的平行度、推桿與加載機構之間具有較好的垂直度。另外必須考慮由于升降桿不同步導致的橫梁破壞問題，在橫梁和升降桿的連接部位，可通過增加一個剛度極大的彈性元件，同時橫梁和兩個升降桿的連接采用銷釘連接，銷釘的斷裂強度要比橫梁與基座的強度小得多。

(2)直線插補同步控制技術

6K 是開環方式的輪廓控制系統，運動控制器采用直線插補的二軸聯動功能來實現兩個電動推桿驅動電機的同步控制。聯動工作方式不僅對于所驅動的軸發出同步動作脈沖，而且在每個伺服周期對聯動軸的位置、速度反饋信息進行比較判別，并隨時校正同步誤差。

采用45°直線插補方式驅動升降機構的兩個伺服電機，實現兩個軸的位置同步控制，這時候的同步誤差為兩個軸的定位精度之和。

(3)提高單推桿的控制精度

要提高同步精度，必須要提高單軸的運動控制精度，這樣就可以通過控制兩個推桿的控制信號的同步來實現最終的位置同步。

由于電動推桿的結構限制，無法安裝直線光柵尺，故無法檢測運動最終位置，不能采用全閉環控制。通過采用雙編碼器半閉環控制方式，可以提高電動推桿的控制精度。定位精度主要受滾珠、絲杠的精度(導程精度、軸向游隙影響)、機械安裝、機械傳動精度、控制方式的影響較大。提高滾珠絲杠的精度可以采用高精度滾珠絲杠。機械傳動誤差主要由電機與減速器之間傳動、同步帶傳動引起，故在滾珠絲杠輸入端增加圓盤編碼器，將滾珠絲杠輸入端的位置反饋到控制器，而電機編碼器位置反饋到驅動器，從而消除部分機械傳動誤差。

該系統是一個標準的雙半閉環系統，圖3 是伺服系統控制原理圖，其速度反饋來自于電機編碼器，而位置反饋來自于減速器末端的圓光柵反饋。內環是速度環，外環是位置環。通過位置控制，可以消除減速器前端的機械誤差。

圖3 單電動推桿伺服系統控制結構圖

(4)電動推桿同步超差三重冗余軟件保護控制

當一個軸由于某種原因運動過慢或者過快甚至停止運動時，兩個軸的位置同步超差就會很大，特別是在一個軸異常停止運動時，甚至會導致升降機構的破壞。運動中為防止兩個電動推桿出現同步超差，提高控制的可靠性，設計了三重保護監控，防止錯位過大導致設備損壞。

第一重是上位軟件同步誤差監控。在上位軟件中，設置了一個同步誤差監控線程，對兩個電動推桿圓盤編碼器的值(同步軸的位置)進行采樣比較，如果發現位置同步誤差超過設定值，則發出運動停止命令，運動停止后，根據兩個升降桿的位置偏差進行自動調整。這種方法由于軟件的滯后性導致停止后同步誤差偏大。

第二重是運動控制器同步誤差監控。6K 運動控制屬于智能設備，本身作為一個獨立系統運行，該系統給用戶提供了基于“循環調度+ 中斷檢測方式的多任務”調度算法。為了提高系統的安全性和可靠性，在6K 運動控制器中也設計了同步監控和超差保護程序，工作機制和工控機的程序相同，但實時性僅能限于一個插補周期之內。

第三重是用PLC 同步誤差控制。PLC 中高速計數模塊對兩個電動推桿的外部編碼器值進行實時比較，超過設定誤差時通過PLC 的輸出口輸出信號接通繼電器線圈，立即停止兩個電動推桿運動。它與運動控制系統是獨立的，即便運動控制系統出現故障，它依然能起到保護作用。

(5)電動推桿同步超差硬件保護控制

作者在軟件上針對這兩個軸進行了一系列的同步設計，但為了獲得更高的裝置安全性，在硬件邏輯電路控制中，增加了安全性設計。如圖4，KM1 和KM2分別控制兩個電動推桿驅動器主電源，但對控制電源不控制。這個電路正常工作時，如果任何一個電動推桿限位信號觸發、任何一個電動推桿的驅動器報警、上位軟件同步超差報警、PLC 同步監控超差報警、急停信號觸發，KM3 和KM4 將同時斷開，同時切斷兩個電機的制動器。

圖4 硬件保護控制電路圖

3 回零時的雙驅動同步控制技術

設備絕對零點在運動控制中起著非常重要的作用，為了對運動控制的坐標系進行校準，每次啟動前都要進行一次回零操作。采用聯動控制電動推桿同步存在一個回零的問題。從6K 控制器常用的回零方式上來看，對單軸而言，電機一接到回零的命令，便開始尋找零位信號，在接到零位觸發信號后，馬上記錄當前位置，開始減速并回退到觸發信號處，但對于走插補運動的兩個缸來講，不可能同時按照單軸的方式回零，一是控制器不支持，二是零位觸發不可能安裝得讓兩個缸同時觸發，否則就會出現兩個缸的不同步。這是回零同步控制面臨的難題。對于剛性連接的電動推桿的回零可以有幾種方式來完成:

(1)用“軟”零位方式，即軟件上定義一個理論零點，每次回零就插補運動到該位置。這種方式在長時間運行后，兩個缸會產生積累誤差。

(2)先用插補方式回到一個接近零位的坐標，然后用跟隨方式來回零。所謂跟隨方式就是一個主運動，一個從運動，從運動根隨主運動，主運動單軸回零。這種方式在長時間運行后，兩個缸仍會產生積累誤差，只是要小于“軟”零位方式。

(3)使用絕對零位方式。該方式同時使用高精度接觸式位移傳感器和非接觸零位傳感器，在兩個電動推桿的底部安裝高精度接觸式位移傳感器，在兩個接觸式位移傳感器可檢測位置設定一個位置為零位，將該位置接觸式位移傳感器的讀數置為零，回零運動分三部分:第一步，讓電動推桿以第一種方式回零，根據當前位置采用45°直線插補命令進行邏輯回零，以確保大行程范圍的同步控制要求，記下主運動軸對應的接觸式位移傳感器的數值V1;第二步，兩個缸直線插補運動－V1值到絕對零位處，記錄下從運動軸對應的接觸式位移傳感器的數值V2;第三步，從運動軸單軸調整－V2值，最后兩個缸對應的接觸式位移傳感器的數值都為零。這樣就完成了整個絕對回零調整。

在實際運行中作者采用混合回零方式，它是最為優化、精度最高的回零方式。最終的回零精度達到了1 μm。

4 結論

電動推桿的同步控制設計方案在實際運用中獲得了很好的效果。

(1)采用雙編碼器半閉環控制方式，大大提高了電動推桿的位置控制精度。

(2)兩個電動推桿的回零采用混合絕對回零方式在工程中是可行并有效的。

(3)為防止兩個電動推桿出現同步超差，使用三重冗余軟件和硬件同時控制，提高了電動推桿同步控制的可靠性。

【1】趙運龍.數控機床及運用［M］.北京:機械工業出版社，2002.

【2】Parker-Hannifin.Multi-Axis Synchronization［M］.

【3】Parker Hannifin Corporation. 6K Series Command Reference［M］.