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1、.
雙軸同步控制技術的研究
曹毅 周會成 唐小琦
（華中科技大學國家數(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，雙軸同步控制方式以及同步補償算法，并在華中數(shù)控的世紀星數(shù)控系統(tǒng)平臺下對同步控制方式及算法進行了調試、驗證。
關鍵詞：雙軸同步 補償算法 主動軸 從動軸
隨著數(shù)控技術的推廣，大型數(shù)控設備被廣泛地用于各種機械加工領域以滿足一些體積較大、精度較高、生產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)控設備來講，雖然在這些情況下可以采用單電動機通過錐齒輪等機械機構驅動雙邊的方案，但是傳動機構
2、復雜、間隙較大，容易造成閉環(huán)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且運行噪聲大，維護困難。因此宜采用雙軸驅動的方式。
所謂同步控制，就是一個坐標的運動指令能夠驅動兩個電動機同時運行，通過對這兩個電動機移動量的檢測，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補償。其目的是將主、從兩個電動機之間的位移偏差量控制在一個允許的范圍內。
1 雙軸同步控制方式
1.1 軟件實現(xiàn)的主從控制方式
圖1所示的是采用交流伺服驅動裝置的數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結構圖。其基本工作原理是：將兩個同方向運動的進給軸，一個設定為主動軸，另一個設定為從動軸，由一個伺服驅動器、一個伺服電動機、一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成
3、主動軸伺服運動控制回路，同時由另一個伺服驅動器、另一個伺服電動機、另一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動軸伺服運動控制回路。CNC的位置控制單元同時向主動軸及從動軸的伺服控制回路發(fā)出位置伺服運動指令。兩個位置反饋裝置的反饋信號除了送回各自的伺服驅動器比較環(huán)，還送入CNC內部的一個數(shù)字比較器進行差值比較，該差值送入從動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行比較。兩個位置反饋裝置的反饋信號差值就是主動軸與從動軸的同步誤差。差值為零時，表明兩個軸的位置完全同步。
2.2 硬件實現(xiàn)的主從控制方式
圖2是采用交流伺服驅動裝置的數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結構圖
4、。其基本工作原理是：將兩個同方向運動的進給軸串聯(lián)在一起，一個由一個伺服驅動器、一個伺服電動機、一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成第一級伺服運動控制回路，同時由另一個伺服驅動器、另一個伺服電動機、另一個位置反饋裝置組成第二級伺服運動控制回路。其中，前一級的輸出信號經過調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行比較，這樣實際上比較的是兩個電動機的位置反饋信號。
兩種控制方式各有優(yōu)缺點。采用軟件主從方式時，分別對兩個回路進行控制，再將兩個回路的位置反饋信號經過系統(tǒng)處理后將補償量送入從動軸，這種方式響應迅速，能及時地調整雙軸的不同步狀態(tài)，但是，由于處理的數(shù)據(jù)量
5、大，相對來說給系統(tǒng)造成了一定的負擔；采用硬件主從方式時，直接將前一級的輸出信號給下一級回路，隨動軸的調整由伺服來完成，系統(tǒng)只需在插補周期結束時發(fā)送一定的數(shù)據(jù)即可，系統(tǒng)的負擔減輕了，但是由于信號從第一級傳到第二級時有一定的延時，并且伺服調整也需要一點時間，這就使得整個系統(tǒng)的響應速度變慢，當機床的速度很高時，極易造成事故。因此，兩種控制方式要根據(jù)實際情況的不同有所取舍。
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2 雙軸同步控制算法
雙軸同步控制的關鍵在于補償量的計算，以何種算法來計算補償值，對雙軸的同步有直接的影響。若補償準確、及時，則同步性能良好，此時定位精確，加工出來的產品自然就會高質量；相反，補償遲鈍，補償
6、量不準，極有可能造成系統(tǒng)振蕩，從而引發(fā)事故。
2.1 簡單的同步補償算法
所謂簡單的同步補償算法，就是實時、動態(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，實時計算雙軸的差值，將所得的差值對從動軸進行補償。即
補償量 = 主動軸位置 - 從動軸位置
這種算法計算量極小，耗費系統(tǒng)資源少。但是，這種只對當前插補周期內所采集的實時數(shù)據(jù)求差補償，而不考慮雙軸差值的變化趨勢，會造成系統(tǒng)振蕩。采用56"控制，綜合考慮了誤差以及誤差的變化趨勢，在這個方面就有所改進。
2.2 PID算法在同步補償中的應用
PID控制就是比例、積分、微分控制。比例控制能迅速反應誤差，從
7、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。積分作用太強會使系統(tǒng)超調加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制可減小超調量，克服振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調整時間。
由于積分環(huán)節(jié)在大幅增減時，短時間系統(tǒng)會輸出很大的偏差，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"控制算法來計算從動軸的補償值，并在后面的實驗中給予驗證。
計算機實現(xiàn)積分分離的56"控制算法的表達式如下
式中
I ———采樣序號，i=0、1、2、
8、3…
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e（i）———第i次采樣時刻誤差計算器輸出的位置偏差
u（i）———第i次采樣時刻的計算機輸出的控制值
Ti ———積分系數(shù)
Td ———微分系數(shù)
Kp ———比例系數(shù)
T ———采樣周期
項為積分項的開關系數(shù)。程序流程見圖3。
3 雙軸同步控制實驗調試
根據(jù)檢驗雙軸同步控制方式和算法的需要，設計以下實驗來對所選擇的控制方式和算法進行驗證。
3.1 測試條件
一臺世紀星數(shù)控系統(tǒng)HNC-22MF，兩臺HSV-16-020型伺服驅動器，兩臺GK6040-6AC31-FE型伺服電動機，指令和反饋均為A+B方式，脈沖指令分辨
9、率為40000c/r，編碼器分辨率為10000c/r。其中T0和T1為從世紀星發(fā)出的指令信號，F(xiàn)0和F1為從伺服驅動反饋給系統(tǒng)的脈沖信號，F(xiàn)0’為電動機0反饋至伺服驅動的信號，分線器起信號轉移的作用。利用研華PCI1784計數(shù)卡對雙軸指令和編碼器反饋脈沖進行采樣，采樣周期為1ms。原理圖如圖4。
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3.2 測試內容與結果
（1）驗證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。結果表明，F(xiàn)0和F0’無誤差，電動機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。
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（2）F0和F1的比較
10、
以指令位移200MM，指令加速度1000MM/S^2，指令速度分別為50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驅動0軸和1軸電動機按直線型加減速運動，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F0和F1的位移誤差曲線，圖7為雙軸負載都為1.5N/M，快移速度為200MM/S和300MM/S時F0和F1的位移誤差曲線。
結果表明，空載情況下，對于相同的數(shù)控指令，兩相同電動機編碼器反饋位移總量相等。但發(fā)送過程中，每一采樣周期會出現(xiàn)范圍為［-3，3］個脈沖的誤差。應認為在空載情況下具有較好的同步性；當電動機端加上負載時，每個采樣周期會出
11、現(xiàn)范圍為［
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-5，5］個脈沖誤差，加負載后對從動軸進行補償時，每個采樣周期都會出現(xiàn)［-4，3］個脈沖誤差，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
以指令位移200MM，指令加速度1000MM/S^2，指令速度分別為50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驅動0軸和1軸電動機按直線型加減速運動，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)的響應時延約為5ms，說明硬件實現(xiàn)的主從控制方式對我們的系統(tǒng)來說，延時太長，因而本文采用了軟件實現(xiàn)的主從控制方式。
4 結語
本文只是針對華中數(shù)控的數(shù)控系統(tǒng)平臺做出的研究，對于其他的數(shù)控系統(tǒng)，采取同樣的研究方法，具體分析，同樣可以得出適合該數(shù)控平臺的雙軸同步控制方式以及研究出有效的同步控制算法，這樣，雙軸同步控制就很容易實現(xiàn)了。
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