獨立平行兩軸的同步控制系統優化設計

吳國華

（北京清大天達光電科技股份有限公司，北京 101204）

獨立平行兩軸的同步控制系統優化設計

吳國華

（北京清大天達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運動控制系統，完成對直線電機高速度、高精度的控制，進而實現兩軸高速運動同步控制的功能。實驗獲得的數據和設備在產線上的實際運行說明，該系統同步性能好，誤差率低，具有實時性和快速性，得到了客戶的好評。

直線電機 運動控制器 兩軸同步控制

引言

本文將現代運動控制系統中的代表性技術——直線伺服控制技術和運動控制器技術相結合，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動控制系統。

1 同步控制原理

在龍門架構系統中，一般采用機械連接結構即機械同步控制方式來控制龍門兩側的伺服電機同步運行。從電氣上講，這兩臺電機實際各自獨立，由PLC或運動控制卡向兩臺伺服驅動器發送運動指令。本設計中，因為龍門上方還有一個橫向運動的電機軸，且該電機軸在縱向位置上不能移動，所以龍門兩側的電機軸不能使用機械硬連接的方式連接起來。在這種情況下，龍門兩側的電機軸要做到同步運行，并且電機運行速度達到1500mm/s以上；位置偏差達到10μm，同步偏差達到5μm，就必須在電氣控制方面做出獨特的設計。一般情況下，電氣上的兩軸同步控制采用的是軟件實現的主從控制方式。圖1所示的是采用伺服驅動裝置的數控機床雙軸運動同步控制的結構圖。

圖1 軟件主從控制方式

基本工作原理。兩個同步運動的電機軸隨機設定其中一個電機軸為主動軸，另一個即為從動軸。電機實際運行中，運動控制器將比較從動軸反饋回來的實際位置和主動軸反饋回來的實際位置，然后將此位置偏移修正到從動軸的指令位置。這樣經過不斷比較、修正，當位置偏移為零時，表明兩個軸的位置完全同步。

上面的同步控制方式，能達到的控制精度主要在于補償量的計算。若補償準確、及時，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，同時同步性能好，則從軸的定位精度也不會太差。這兩個條件差一個，整臺設備的定位精度都很難達到預定要求。因此，本設計中放棄了傳統軟件實現的兩軸同步控制方式，而是采用軟硬件配合，全閉環控制，預先設定一個虛擬主軸，龍門兩側的兩軸均以虛擬主軸為基準，實時檢測，補償位置偏移，如圖2所示。

圖2 虛擬主從同步控制原理圖

工作原理：運動控制器預先設定一個不存在的運動軸，即虛擬主軸，實際存在的兩個運動軸為從軸。當控制器軟件命令“LOCK X Y”啟動后，兩軸接收到的指令位置（第一設置點）相同，兩個運動軸按照接收到的指令信號運行。但是，電機在實際運行中，因為導軌或電機定子加工和安裝的細微差別，兩個電機的實際運行位置也會存在差別。運動控制器接收到光柵反饋回來的實際位置后，兩軸的反饋位置相減，得到兩軸實際位置偏移。把這個實際位置偏移加到指令位置中，形成新的指令位置，通過運動控制器控制回路傳送到直線電機，得到電機的實際位置。這樣，電機在運行過程中，控制器以其處理器的最高運算頻率為基礎，反復修正電機的實際位置，以達到運動控制器所能保證的同步性能。

2 硬件設計

本系統采用“PLC+運動控制器”的硬件結構，以自帶高速DSP處理器的運動控制器為運動控制系統的核心，PLC觸發事件，即“PLC+運動控制器”模式。PLC負責人機交互界面的管理和控制系統的事件觸發、實時監控等工作，運動控制器完成運動控制的所有細節。本系統的運動控制器采用的是美國Park汗尼芬公司的ACR9000U1P8M0運動控制器。

該控制器具備以下特性：

（1）每臺控制器最多可同時控制8個電機；

（2）具備10/100 Base-T Ethernet功能；

（3）USB 2.0；

（4）兼容Ethernet/IP；

（5）自帶CANOpen擴展I/O。

圖3所示為本機采用的全閉環兩軸同步控制系統。

圖3 全閉環兩軸同步控制系統硬件示意圖

該系統的位移檢測裝置采用的是相對光柵尺，精度為5μm/Pulse。通過光柵尺可以實時檢測直線電機的位移信號。此信號經過光柵尺內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，其頻率與直線電機的運動速度成正比，數值為直線電機的實際位移量除以一個脈沖當量。

運動控制器接到上位機的事件觸發指令后，向兩臺直線伺服驅動器發出位移運動信號，經驅動器放大后驅動直線電機，使直線電機按照對應的頻率和線位移運行。相對光柵尺的兩路位移脈沖信號進入運動控制器構成反饋環。位移脈沖被運動控制器中的可逆計算器進行計數。該計數器中的數值表示直線電機的當前實際位置。運動控制器的作用是根據定位指令值與實際反饋值之差，按控制器設計的控制規律控制整個運動系統的運行，以保證設備的運動平臺實際位移，實時跟隨定位指令值的變化。

3 軟件控制實現

圖4 軟件程序流程圖

運動控制器的軟件實現包括運動程序控制和PLC通信兩個部分。運動程序完成運動控制器所控制的所有軸的運動，包括單軸以及兩軸同步的點動、回零、相對定位等伺服運動。根據上位PLC下發的各種運動參數，運動控制器將自動計算出各軸單動時的加減速時間和勻速運行時間，調整出一個符合設備運轉所需的平滑運動曲線，并將此曲線的參數保存。當需要實現兩軸同步運行時，觸發軟件的程序控制命令“Lock Y X”。運動控制器收到該軟件指令后，與其對應的硬件回路開始運轉，這樣就將需要同步的兩個單軸鎖定在一起。在解鎖之前，這兩個單軸從程序控制的角度來說就是一個軸，其對應所有的點動、回零和定位運動等，都只要將運動參數賦予X軸即可。同時，因為此控制命令對應的同步方式為虛擬主從同步控制機制，同步軸調試完成后的絕對定位精度可以達到±2Plus，實時同步精度可以達到±1Plus。這些數據在出廠前的試運行和出廠后的客戶實際運行中均得到了驗證。

運動控制器的PLC通信部分則負責接收從上位PLC下發的“事件觸發指令”（I/O觸發）和各軸的運動參數。同時，將實際運行時各軸的運行狀態上傳到上位PLC。這兩項是通過PLC和運動控制器之間的Ethernet通信協議完成的。運動控制的程序流程圖如圖4所示。

4 結束語

以DSP或FPGA芯片為核心處理器的運動控制器，其運動控制功能由硬件電路實現，控制性能和運動精度由核心處理器的運算能力決定。這種運動控制器集成了強大的運算功能、穩定的糾錯能力，同時也簡化了運動控制的指令編寫復雜性。當接到上位PC或PLC下發的事件觸發指令時，它就可以獨立完成與運動有關的控制，從而簡化上位控制設備的程序編寫和調試難度。這不僅縮短了新設備的研發周期，還能更好地達到全閉環運動控制，同時也能夠滿足對高速直線電機的控制要求。將運動控制器應用到兩軸同步控制領域，既是兩軸同步控制領域的一種新嘗試，也為兩軸同步控制提供了一種新的選擇與創新。

[1]王家軍，齊東蓮.運動控制系統的發展與展望[J].電氣時代，2004，（10）：50-52.

[2]舒志兵.運動控制新技術[J].電氣時代，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