1、雙軸同步控制精品文檔雙軸同步控制技術(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)平臺下對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。對于這些大型的龍門式和橋式數(shù)控設(shè)備來講，雖然在這些情況下可以采用單電動(dòng)機(jī)通過錐齒輪等機(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

2、穩(wěn)定，而且運(yùn)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，通過對這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)量的檢測，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，另收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔一個(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)

3、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。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

4、原理是：將兩個(gè)同方向運(yùn)動(dòng)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伺服運(yùn)動(dòng)控制回路。其中，前一級的輸出信號經(jīng)過調(diào)整后直接送入下一級回路，作為下一級的輸入，該信號跟第二級回路反饋的信號進(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。兩種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用軟件主從方式時(shí)，分別對兩個(gè)回路進(jìn)行控制，再將兩個(gè)回路的位置反饋信號經(jīng)過系統(tǒng)處理后將補(bǔ)償量送入從動(dòng)軸，這種收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔方式響應(yīng)迅速，能及時(shí)地調(diào)整雙軸的不同

5、步狀態(tài)，但是，由于處理的數(shù)據(jù)量大，相對來說給系統(tǒng)造成了一定的負(fù)擔(dān)；采用硬件主從方式時(shí)，直接將前一級的輸出信號給下一級回路，隨動(dòng)軸的調(diào)整由伺服來完成，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，但是由于信號從第一級傳到第二級時(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。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，以何種算法來計(jì)算補(bǔ)償值，對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，加工出來的產(chǎn)品自然就會(huì)高質(zhì)量；相反，補(bǔ)償遲鈍，補(bǔ)

6、償量不準(zhǔn)，極有可能造成系統(tǒng)振蕩，從而引發(fā)事故。2.1 簡單的同步補(bǔ)償算法所謂簡單的同步補(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)軸位置收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔這種算法計(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，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，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

7、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)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了所允許的最大值，本文使用積分分離的56"控制算法來計(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)式如下式中I 采樣序

8、號， 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)收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔Kp比例系數(shù)T 采樣周期項(xiàng)為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。程序流程見圖 3。3 雙軸同步控制實(shí)驗(yàn)調(diào)試根據(jù)檢驗(yàn)雙軸同步控制方式和算法的需要，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)來對所選擇的控制方式和算法進(jìn)行驗(yàn)證。3.1 測試條件一臺世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)HNC-22MF ，兩臺 HSV-16-020 型伺服驅(qū)動(dòng)器，兩臺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10000

9、c/r。其中 T0 和 T1 為從世紀(jì)星發(fā)出的指令信號， F0 和 F1 為從伺服驅(qū)動(dòng)反饋給系統(tǒng)的脈沖信號，F(xiàn)0為電動(dòng)機(jī) 0 反饋至收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔伺服驅(qū)動(dòng)的信號，分線器起信號轉(zhuǎn)移的作用。利用研華PCI1784 計(jì)數(shù)卡對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。3.2 測試內(nèi)容與結(jié)果（ 1）驗(yàn)證 F0 與 F0是否相同數(shù)控系統(tǒng)指令信號為三角波，測得F0 和 F0的波形如圖 5 所示。結(jié)果表明， F0 和 F0無誤差，電動(dòng)機(jī)到伺服部分的編碼器信號與伺服到數(shù)控系統(tǒng)的編碼器信號為完全相同的信號。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔（ 2）

10、 F0 和 F1 的比較以指令位移 200MM ，指令加速度 1000MM/S2 ，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。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔結(jié)果表明，空載情況下，對于相同的數(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

11、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)脈沖誤差，加負(fù)載后對從動(dòng)軸進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，每個(gè)采樣周期都會(huì)出現(xiàn)-4，3個(gè)脈沖誤差，對于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)）（3）T0 和 F0 的比較收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔以指令位移 200MM ，指令加速度 1000MM/S2 ，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)，測得T0 和 F0 的位移比較曲線如圖8 所示，從圖 8 可以看出，測量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)延約