双轴同步控制

.双轴同步控制技术的研究曹毅 周会成 唐小琦（华中科技大学国家数控系统工程研究中心，湖北武汉012230）摘要：介绍了基于Linux数控系统的双轴同步控制技术，双轴同步控制方式以及同步补偿算法，并在华中数控的世纪星数控系统平台下对同步控制方式及算法进行了调试、验证。关键词：双轴同步 补偿算法 主动轴 从动轴随着数控技术的推广，大型数控设备被广泛地用于各种机械加工领域以满足一些体积较大、精度较高、生产周期要求短的工件的加工需求。对于这些大型的龙门式和桥式数控设备来讲，虽然在这些情况下可以采用单电动机通过锥齿轮等机械机构驱动双边的方案，但是传动机构复杂、间隙较大，容易造成闭环控制系统的不稳定，而且运行噪声大，维护困难。因此宜采用双轴驱动的方式。所谓同步控制，就是一个坐标的运动指令能够驱动两个电动机同时运行，通过对这两个电动机移动量的检测，将位移偏差反馈到数控系统获得同步误差补偿。其目的是将主、从两个电动机之间的位移偏差量控制在一个允许的范围内。1 双轴同步控制方式1.1 软件实现的主从控制方式图1所示的是采用交流伺服驱动装置的数控机床双轴运动同步控制的结构图。其基本工作原理是：将两个同方向运动的进给轴，一个设定为主动轴，另一个设定为从动轴，由一个伺服驱动器、一个伺服电动机、一个位置反馈装置及CNC位置控制单元组成主动轴伺服运动控制回路，同时由另一个伺服驱动器、另一个伺服电动机、另一个位置反馈装置及CNC位置控制单元组成从动轴伺服运动控制回路。CNC的位置控制单元同时向主动轴及从动轴的伺服控制回路发出位置伺服运动指令。两个位置反馈装置的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较环，还送入CNC内部的一个数字比较器进行差值比较，该差值送入从动轴伺服控制回路的输入端，与CNC位置控制单元发来的位置伺服指令进行比较。两个位置反馈装置的反馈信号差值就是主动轴与从动轴的同步误差。差值为零时，表明两个轴的位置完全同步。2.2 硬件实现的主从控制方式图2是采用交流伺服驱动装置的数控机床双轴运动同步控制的结构图。其基本工作原理是：将两个同方向运动的进给轴串联在一起，一个由一个伺服驱动器、一个伺服电动机、一个位置反馈装置及CNC位置控制单元组成第一级伺服运动控制回路，同时由另一个伺服驱动器、另一个伺服电动机、另一个位置反馈装置组成第二级伺服运动控制回路。其中，前一级的输出信号经过调整后直接送入下一级回路，作为下一级的输入，该信号跟第二级回路反馈的信号进行比较，这样实际上比较的是两个电动机的位置反馈信号。两种控制方式各有优缺点。采用软件主从方式时，分别对两个回路进行控制，再将两个回路的位置反馈信号经过系统处理后将补偿量送入从动轴，这种方式响应迅速，能及时地调整双轴的不同步状态，但是，由于处理的数据量大，相对来说给系统造成了一定的负担；采用硬件主从方式时，直接将前一级的输出信号给下一级回路，随动轴的调整由伺服来完成，系统只需在插补周期结束时发送一定的数据即可，系统的负担减轻了，但是由于信号从第一级传到第二级时有一定的延时，并且伺服调整也需要一点时间，这就使得整个系统的响应速度变慢，当机床的速度很高时，极易造成事故。因此，两种控制方式要根据实际情况的不同有所取舍。精品.2 双轴同步控制算法双轴同步控制的关键在于补偿量的计算，以何种算法来计算补偿值，对双轴的同步有直接的影响。若补偿准确、及时，则同步性能良好，此时定位精确，加工出来的产品自然就会高质量；相反，补偿迟钝，补偿量不准，极有可能造成系统振荡，从而引发事故。2.1 简单的同步补偿算法所谓简单的同步补偿算法，就是实时、动态地获取双轴编码器或光栅尺反馈至数控系统的数据，并根据双轴的位置反馈值，实时计算双轴的差值，将所得的差值对从动轴进行补偿。即补偿量 = 主动轴位置 - 从动轴位置这种算法计算量极小，耗费系统资源少。但是，这种只对当前插补周期内所采集的实时数据求差补偿，而不考虑双轴差值的变化趋势，会造成系统振荡。采用56控制，综合考虑了误差以及误差的变化趋势，在这个方面就有所改进。2.2 PID算法在同步补偿中的应用PID控制就是比例、积分、微分控制。比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数加大，会引起系统不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累误差，输出控制量，以消除误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间。由于积分环节在大幅增减时，短时间系统会输出很大的偏差，致使双轴的偏差超过了所允许的最大值，本文使用积分分离的56控制算法来计算从动轴的补偿值，并在后面的实验中给予验证。计算机实现积分分离的56控制算法的表达式如下式中I 采样序号，i=0、1、2、3精品.e（i）第i次采样时刻误差计算器输出的位置偏差u（i）第i次采样时刻的计算机输出的控制值Ti 积分系数Td 微分系数Kp 比例系数T 采样周期项为积分项的开关系数。程序流程见图3。3 双轴同步控制实验调试根据检验双轴同步控制方式和算法的需要，设计以下实验来对所选择的控制方式和算法进行验证。3.1 测试条件一台世纪星数控系统HNC-22MF，两台HSV-16-020型伺服驱动器，两台GK6040-6AC31-FE型伺服电动机，指令和反馈均为A+B方式，脉冲指令分辨率为40000c/r，编码器分辨率为10000c/r。其中T0和T1为从世纪星发出的指令信号，F0和F1为从伺服驱动反馈给系统的脉冲信号，F0为电动机0反馈至伺服驱动的信号，分线器起信号转移的作用。利用研华PCI1784计数卡对双轴指令和编码器反馈脉冲进行采样，采样周期为1ms。原理图如图4。精品.3.2 测试内容与结果（1）验证F0与F0是否相同数控系统指令信号为三角波，测得F0和F0的波形如图5所示。结果表明，F0和F0无误差，电动机到伺服部分的编码器信号与伺服到数控系统的编码器信号为完全相同的信号。精品.（2）F0和F1的比较以指令位移200MM，指令加速度1000MM/S2，指令速度分别为50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驱动0轴和1轴电动机按直线型加减速运动，测得F0和F1位移误差如表1所示。图6为空载下200MM/S和300MM/S时F0和F1的位移误差曲线，图7为双轴负载都为1.5N/M，快移速度为200MM/S和300MM/S时F0和F1的位移误差曲线。结果表明，空载情况下，对于相同的数控指令，两相同电动机编码器反馈位移总量相等。但发送过程中，每一采样周期会出现范围为-3，3个脉冲的误差。应认为在空载情况下具有较好的同步性；当电动机端加上负载时，每个采样周期会出现范围为精品.-5，5个脉冲误差，加负载后对从动轴进行补偿时，每个采样周期都会出现-4，3个脉冲误差，对于双轴的同步性起到了一定的效果。表1不同速度时两轴反馈位移误差（位移误差单位：脉冲数）（3）T0和F0的比较以指令位移200MM，指令加速度1000MM/S2，指令速度分别为50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驱动0轴和1轴电动机按直线型加减速运动，测得T0和F0的位移比较曲线如图8所示，从图8可以看出，测量系统的响应时延约为5ms，说明硬件实现的主从控制方式对我们的系统来说，延时太长，因而本文采用了软件实现的主从控制方式。4 结语本文只是针对华中数控的数控系统平台做出的研究，对于其他的数控系统，采取同样的研究方法，具体分析，同样可以得出适合该数控平台的双轴同步控制方式以及研究出有效的同步控制算法，这样，双轴同步控制就很容易实现了。如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！精品