1 引言

　　目前，許多高檔數(shù)控系統(tǒng)具備了雙軸同步功能，如市場(chǎng)上廣泛使用的高檔數(shù)控系統(tǒng)西門(mén)子840D提供了龍門(mén)軸功能，F(xiàn)ANUC-18i數(shù)控系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)易同步控制軸功能等。雙軸同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用越來(lái)越成為業(yè)界的熱點(diǎn)呤。從已經(jīng)具備龍門(mén)軸功能的數(shù)控系統(tǒng)來(lái)看，大多數(shù)控系統(tǒng)采用主從方式的同步控制方法，其原理是從動(dòng)軸按照一定的協(xié)調(diào)同步關(guān)系跟蹤主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，同步控制器根據(jù)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的位置偏差來(lái)調(diào)節(jié)從動(dòng)軸，從而達(dá)到控制同步誤差的目的。這種控制方法有一定的缺陷，即當(dāng)出現(xiàn)同步誤差時(shí)，主從同步控制方式只是根據(jù)主動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)情況調(diào)節(jié)從動(dòng)軸位置，而從動(dòng)軸的負(fù)載干擾不會(huì)反饋回主動(dòng)軸，因而其同步控制的精度不高。假設(shè)在控制過(guò)程中能將兩個(gè)同步軸同時(shí)調(diào)節(jié)，那么將會(huì)快速提高同步軸的響應(yīng)速度?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)為這一設(shè)想提供了研究思路，現(xiàn)場(chǎng)總線承載的大量數(shù)據(jù)信息可以為雙軸同步控制提供必要的數(shù)據(jù)支持。本文提出的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法即是基于這一思路設(shè)計(jì)的一種同步控制方式。在該雙軸同步協(xié)調(diào)控制方式下，同步控制器的輸入是兩個(gè)軸的同步誤差，同步控制器的輸出同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)同步軸的位置，以達(dá)到快速響應(yīng)的目的。通過(guò)雙軸同步實(shí)驗(yàn)證明，該方法較主從式控制提高了同步誤差的控制精度同時(shí)也減小了兩個(gè)軸的跟隨誤差。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線與雙軸同步控制概述

　　現(xiàn)場(chǎng)總線為控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器提供了必要的信息交換的手段，本節(jié)概述現(xiàn)場(chǎng)總線和雙軸同步控制的基本工作原理，以便后續(xù)闡明現(xiàn)場(chǎng)總線如何對(duì)雙軸同步控制提供支撐。

　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線

　　基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的主設(shè)備以板卡的形式插入上位裝置(如CNC)，從設(shè)備一般直接在伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件板上實(shí)現(xiàn)。上位裝置的命令通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)給指定的伺服或IO；伺服或10的響應(yīng)也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳給上位裝置。

　　總線中承載的信息有：CNC發(fā)給伺服裝置的插補(bǔ)位置指令、伺服反饋給CNC的反饋位置信息、伺服反饋給CNC的速度信息等。該雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法通過(guò)總線上獲取到位置反饋信息得到同步誤差，同步誤差經(jīng)過(guò)同步控制器的計(jì)算將輸出量補(bǔ)償給兩個(gè)軸的速度環(huán)。

　　2.2 雙軸同步控制

　　主從式控制是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床同步控制的一個(gè)較為常見(jiàn)的控制策略，采用交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置雙軸主從同步控制口1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　主從式同步控制的工作原理是：設(shè)定兩個(gè)同方向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給軸，一個(gè)為主動(dòng)軸，一個(gè)為從動(dòng)軸。主動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)伺服電機(jī)及一個(gè)位置檢測(cè)裝置。從動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路由另一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、另一個(gè)伺服電機(jī)、及另一個(gè)位置檢測(cè)裝置組成。CNC的位置控制單元同時(shí)發(fā)出位置伺服運(yùn)動(dòng)指令到主動(dòng)軸及從動(dòng)軸的伺服控制回路。兩個(gè)位置檢測(cè)裝置的反饋信號(hào)除了送回各自的伺服驅(qū)動(dòng)器比較環(huán)外還將反饋信號(hào)送入CNC內(nèi)部的一個(gè)比較器做差值比較。做差比較后，差值經(jīng)過(guò)調(diào)整送入從動(dòng)軸伺服控制回路的輸入端。其中，兩個(gè)位置檢測(cè)裝置的反饋信號(hào)差值就是主從軸間的同步誤差。當(dāng)差值為零時(shí)，說(shuō)明兩個(gè)軸的位置完全同步。

　　由上述主從同步控制的工作原理可以發(fā)現(xiàn)主動(dòng)軸受到的干擾會(huì)被從動(dòng)軸反映并跟隨，但是從動(dòng)軸上受到的任何干擾不會(huì)反饋回主動(dòng)軸。所以這種控制策略?xún)蓚€(gè)同步軸同步調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度不快，因而其位置同步控制的精度不高。如果在發(fā)現(xiàn)兩個(gè)同步軸位置不同步時(shí)能同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)軸就可以提高同步軸的響應(yīng)速度，進(jìn)而提高同步誤差的控制精度。基于此思路，本文第2節(jié)提出基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法

　　上一小節(jié)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線及雙軸同步控制方法做了概述。由此可知，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線可以在CNC與伺服間傳送多個(gè)數(shù)據(jù)信息，這為雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法的實(shí)現(xiàn)提供了支持。下文對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行詳細(xì)地闡述。

　　3.1 雙軸同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。X和X'為兩個(gè)同步軸，接收來(lái)自CNC相同的插補(bǔ)位置指令。每個(gè)軸伺服都是位置閉環(huán)控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，CNC獲取兩個(gè)同步軸的實(shí)際位置，然后計(jì)算出同步誤差送給協(xié)調(diào)控制器，協(xié)調(diào)控制器的輸出送給控制信號(hào)分配模塊，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將輸出量補(bǔ)償給兩個(gè)軸的速度環(huán)。雙軸同步協(xié)調(diào)控制，一方面以消除同步誤差為控制目標(biāo)，另一方面要兼顧兩個(gè)同步軸的跟隨誤差，合理協(xié)調(diào)同步控制信號(hào)，以減小跟隨誤差。

　　同步誤差計(jì)算。在雙軸協(xié)調(diào)同步控制中，同步誤差為兩個(gè)同步軸實(shí)際位置的偏差。由于兩個(gè)軸的位置反饋值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線上傳到CNC，所以在CNC中只需將這兩個(gè)值做相減比較即得到同步誤差。

　　同步控制器C。同步控制器以?xún)蓚€(gè)同步軸的同步位置偏差作為輸入，其輸出作為一種速度補(bǔ)償由控制信號(hào)分配模塊分配給兩個(gè)同步軸，本質(zhì)上是在兩個(gè)同步軸的相對(duì)位置上加了一個(gè)閉環(huán)控制，其同步誤差的控制效果取決于控制器的控制算法和控制參數(shù)。同步控制器是一個(gè)單輸入單輸出控制系統(tǒng)，有很多工程上適用的控制方法和設(shè)計(jì)方法可以使用。本章采用專(zhuān)家PID控制，即：當(dāng)誤差的絕對(duì)值較小時(shí)。實(shí)施較弱的控制作用；當(dāng)誤差的絕對(duì)值較大時(shí)，實(shí)施較強(qiáng)的控制作用；當(dāng)誤差處于穩(wěn)定時(shí)只實(shí)施簡(jiǎn)單的積分控制。2.2節(jié)將具體闡述雙軸專(zhuān)家PID控制算法的實(shí)現(xiàn)。

　　控制信號(hào)分配。雙軸協(xié)調(diào)控制的一個(gè)重要步驟是控制信號(hào)分配。補(bǔ)償量計(jì)算準(zhǔn)確，分配合理即時(shí)，系統(tǒng)的同步性能就會(huì)提高，加工出來(lái)的產(chǎn)品自然就是高質(zhì)量的；相反，補(bǔ)償量不準(zhǔn)，分配不合理，就會(huì)使雙軸產(chǎn)生震蕩，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至超過(guò)系統(tǒng)報(bào)警極限，使加工產(chǎn)品的工作停止。2.3節(jié)將對(duì)控制信號(hào)分配策略做詳細(xì)介紹。

3.2 專(zhuān)家PID控制算法

　　專(zhuān)家控制方法是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，以智能的方式利用這些知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)專(zhuān)家PID參數(shù)便構(gòu)成專(zhuān)家PID控制。error(k)表示第k個(gè)同步誤差，Aerror(k)表示當(dāng)前第k個(gè)同步誤差相對(duì)于上一次(第k-1個(gè))同步誤差的增幅，M為系統(tǒng)設(shè)定的常數(shù)。

　　實(shí)施較強(qiáng)的控制作用即是控制器輸出較大調(diào)整量，實(shí)施較弱的控制作用即是控制器輸出較小的調(diào)整量。調(diào)整量的大小可以通過(guò)增加或是減小PID參數(shù)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　3.3 控制信號(hào)分配

　　分析可知兩個(gè)同步軸的跟隨誤差有3種形式，控制信號(hào)分配策略依據(jù)兩個(gè)軸的跟隨誤差進(jìn)行分配。此時(shí)的調(diào)整不是對(duì)一個(gè)軸進(jìn)行調(diào)整，而是同時(shí)調(diào)整兩個(gè)軸。在同步軸中任何一個(gè)補(bǔ)償都可以減小同步誤差，具體每個(gè)軸補(bǔ)償量的大小，取決于兩個(gè)軸跟隨誤差的大小。

　　依據(jù)兩個(gè)同步軸的跟隨誤差有3種形式，設(shè)同步控制器C的輸出為PIDerror，具體的信號(hào)分配策略如下：

　　1)X軸和X'軸的實(shí)際位置點(diǎn)在位置指令點(diǎn)的同側(cè)，且x軸跟隨誤差小于X'軸的跟隨誤差。此時(shí)將K1*PIDerror分配給X'軸，將K2*PIDerror分配給x軸。K1和K2為系統(tǒng)設(shè)定的常數(shù)，K1>K2且K1+K2=1。目的是使X'軸位置快速地靠近X軸位置。

　　2)X軸和X'軸的實(shí)際位置點(diǎn)在位置指令點(diǎn)的同側(cè)，x軸跟隨誤差大于X'軸的跟隨誤差。此時(shí)將K1*PIDerror分配給X軸，以調(diào)整X'軸的位置，將K2}PIDerror分配給X'軸。K1和K2為系統(tǒng)設(shè)定的常數(shù)，K1>K2且K1+K2=1。目的是使X軸位置快速地靠近X'軸位置。

3)X軸和X'軸的實(shí)際位置點(diǎn)在位置指令點(diǎn)的兩側(cè)，則將同步控制器輸出按比例分配給兩個(gè)軸。x軸分配值為同步PI—Derror*｜rp｜／｜pp'｜，x’軸分配值為PIDerror｜rp'｜／｜pp'｜。

　　3.4 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議

　　在雙軸協(xié)調(diào)式同步控制中，同步控制器的輸出要補(bǔ)償?shù)絻蓚€(gè)同步軸的速度環(huán)中，因此兩個(gè)同步軸的伺服除了接收插補(bǔ)位置指令外，還要接收同步誤差速度補(bǔ)償值。這個(gè)補(bǔ)償值由現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議提供。插補(bǔ)指令的應(yīng)用層協(xié)議幀。CNC與伺服間每個(gè)傳輸周期可傳輸16個(gè)字節(jié)，第二列為CNC下發(fā)的插補(bǔ)命令，第三列為伺服響應(yīng)的反饋位置和狀態(tài)。在本文的設(shè)計(jì)中，在插補(bǔ)命令中加入了同步誤差速度補(bǔ)償字段。

4 實(shí)驗(yàn)

　　4.1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　本雙軸同步控制實(shí)驗(yàn)是在Linux+RTAI上運(yùn)行的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)EMC2下進(jìn)行的，所以實(shí)驗(yàn)中需要搭建基于EMC2的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)的軟件平臺(tái)，伺服與上位裝置(EMC2)的通信是通過(guò)PCI板卡與伺服驅(qū)動(dòng)器連接的現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)之間的交換是通過(guò)數(shù)據(jù)隊(duì)列完成的，同時(shí)數(shù)據(jù)隊(duì)列也保證了數(shù)據(jù)通信的同步性，即X軸和X'軸接收到的指令數(shù)據(jù)是相同的。

　　4.2 雙軸協(xié)調(diào)式同步控制算法實(shí)現(xiàn)

　　在2.2和2.3節(jié)中對(duì)專(zhuān)家PID控制算法和控制信號(hào)分配策略做了詳細(xì)的介紹，雙軸協(xié)調(diào)式同步控制算法的實(shí)現(xiàn)便很清晰。

　　實(shí)驗(yàn)中的硬件平臺(tái)，采用的伺服和電機(jī)均由沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司提供。伺服型號(hào)是：GJS-015ADA，電機(jī)型號(hào)為：GJM096ADB22?，F(xiàn)設(shè)定的參數(shù)如為：Feed Override(進(jìn)給率)=100％；Max Velocity(最大速度)=4413mm／min；MAX_ACCELERATION(最大加速度)=3000 ram／min；具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)3.3節(jié)。

4.3 雙軸同步控制實(shí)驗(yàn)

　　雙軸運(yùn)動(dòng)要繪制的指令曲線(心形曲線在X軸方向上的軌跡)。運(yùn)動(dòng)軸的參數(shù)配置設(shè)置如3.1節(jié)提到。圖9給出了主從方式與雙軸協(xié)調(diào)方式下兩同步軸x軸和x’軸的跟隨誤差曲線的比較。

　　注：實(shí)驗(yàn)中將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的EMC2 halscope中保存的同步誤差采集回來(lái)后在Matlab重新繪制指令曲線、跟隨誤差曲線以及同步誤差曲線。采樣周期為1ms。不論是主從同步控制還是雙軸協(xié)調(diào)控制。兩個(gè)同步軸的跟隨誤差基本相同即同步誤差較小。但是雙軸協(xié)調(diào)下的跟隨誤差要小于主從式雙軸同步控制下的跟隨誤差。

　從誤差曲線比較圖可以發(fā)現(xiàn)采用雙軸協(xié)調(diào)式的同步誤差控制效果明顯好于主從式的控制效果。尤其是在3s-4s以及6s-7s這兩個(gè)時(shí)間段，電機(jī)加減速運(yùn)動(dòng)控制較為明顯，跟隨誤差和同步誤差都比較大，雙軸協(xié)調(diào)式控制由于兩個(gè)同步軸的響應(yīng)速度快，同步誤差得到了較好的控制，控制精度比主從式控制有了明顯的提高。

　　基于總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法較主從式控制有效地減小了同步誤差，使同步控制效果得到了較好的提高。同時(shí)該方法也減小了兩個(gè)軸的跟隨誤差。

5 結(jié)論

　　本文分析了傳統(tǒng)的基于數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的雙軸主從同步控制方法存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制總線的發(fā)展趨勢(shì)提出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法。這種方法克服了雙軸主從同步控制方法的缺點(diǎn)，并充分發(fā)揮了自身控制效果的優(yōu)勢(shì)。最后通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)對(duì)比分析。證明該方法具有更好的控制精度。這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的雙軸同步控制方法，應(yīng)用了主流的數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)，符合運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)發(fā)展方向。