基于MECHATROLINK-II總線的雙軸直驅(qū)同步控制工藝研究

賈霞彥

(太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西 太原030024)

在開發(fā)研制中小型偏光片磨邊機過程中，采用一對直驅(qū)電機上下壓緊的結(jié)構(gòu)方式，旋轉(zhuǎn)壓緊偏光片進行角度旋轉(zhuǎn)磨削加工，完成產(chǎn)品的角度精度能達到一定的指標(biāo)，為滿足高端偏光片品質(zhì)的要求，使角度精度達到±0.03°的要求，必須改善旋轉(zhuǎn)方式，提高產(chǎn)品的角度精度。

從決定角度精度的因素分析，有靜態(tài)和動態(tài)兩方面因素，靜態(tài)方面有機械結(jié)構(gòu)和電機的定位精度；動態(tài)方面有磨削加工時產(chǎn)生的切削力，偏光片壓緊旋轉(zhuǎn)時上下需能夠同步完成旋轉(zhuǎn)。靜態(tài)方面的因素是必須的，它能夠提高偏光片上下部分的角度精度，并且由于偏光片的摩擦特性進而影響中部的精度。動態(tài)方面因素需調(diào)整加工工藝和改善對直驅(qū)電機的同步控制方式和方法，因此需研究對直驅(qū)電機的同步控制技術(shù)。

1 同步控制的結(jié)構(gòu)形式

在此所述同步控制也就是同步進給，是指按加工工藝要求的精度和速度，實現(xiàn)多個進給裝置的速度同步（相對同步）或位置同步(絕對同步)或者速度和位置雙同步（雙重同步）。

綜合國內(nèi)外相關(guān)文獻資料來看，實現(xiàn)雙軸同步控制的方法通常有兩種：一種是傳統(tǒng)的機械方式，另一種是當(dāng)前較流行的電控方式。顯然，機械同步方式由于機械結(jié)構(gòu)的限制，一般只適用于對同步精度要求相對較低的場合。目前雙軸同步控制中的電控方式主要有：并行控制、串聯(lián)控制和交叉耦合控制三種結(jié)構(gòu)形式。

1.1 并行控制

并行控制是一種最簡單的雙軸同步控制方式，即采用結(jié)構(gòu)完全相同的兩套驅(qū)動系統(tǒng)并行運行。由于軸間各自獨立控制，無交互作用，當(dāng)運行過程中某一軸受到擾動時，將會產(chǎn)生無法消除的軸間同步位置偏差。同時也會由于控制器和驅(qū)動結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異而造成一定的同步位置偏差。其同步性能受到一定程度的限制。

并行控制在應(yīng)用中有兩種控制方式，一種是同時給定脈沖方式啟動驅(qū)動器；另一種是由控制總線同時發(fā)出指令啟動驅(qū)動器，兩種方式均得以應(yīng)用。同時給定脈沖方式可以是控制器同時發(fā)出兩路脈沖給兩個驅(qū)動器，也可以是一路脈沖分開兩路給兩個驅(qū)動器，顯然一路脈沖的同步性更好些，在圓盤切割機中對鋸片電機的進給就是使用此法。由控制總線同時啟動驅(qū)動器的方法，在先前偏光片磨邊機的研制中就得以使用。

另有一種方式，認(rèn)為也應(yīng)屬于并行控制。使用1:1 的雙軸直線插補控制方式。在具有直線插補功能的控制器中，采用這種插補方式認(rèn)為也可以達到一定的同步控制精度。

1.2 串聯(lián)控制

串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)形式的雙軸同步控制是有一主動軸和一從動軸，其中一軸（主動軸）通過驅(qū)動器的脈沖輸出功能或其他輸出功能，將脈沖或其他控制信號輸出給另一軸（從動軸）的驅(qū)動器作為參考輸入，是一種“從動軸”跟隨“主動軸”的主從控制方式。容易明白，該控制方式下，主動軸上任何擾動引起的變化都會被從動軸跟隨反映，而從動軸上的擾動卻不能反饋到主動軸中，無法消除因從動軸擾動產(chǎn)生的軸間同步位置偏差。同時，因主、從動軸控制系統(tǒng)間電氣和機械的延遲，使得從動軸運動總落后于主動軸的運動而存在固定的同步位置偏差，且由于機械系統(tǒng)的延遲，使得其主要應(yīng)用在對位置同步精度要求不高的系統(tǒng)中。

1.3 交叉耦合控制

交叉耦合結(jié)構(gòu)形式的雙軸同步控制是在并行控制的基礎(chǔ)上，考慮了軸間控制的耦合和協(xié)調(diào)關(guān)系，而引入軸間速度差或位置差的附加反饋信號的控制形式。通過該附加反饋信號實現(xiàn)對軸間位置偏差的協(xié)調(diào)、補償，從而獲得較好的軸間同步性能。該控制方式下，同步性能的優(yōu)劣關(guān)鍵取決于補償策略，應(yīng)用不同算法，軸間同步性能將有所不同?，F(xiàn)行具有相位控制方式的運動控制器屬于此類控制方式。

考慮我們同步控制的要求，既要在控制完成時具有位置精度，又要在控制運行時位置和速度同步，是雙重同步的要求，且控制精度要求很高。采用交叉耦合控制更趨合理。選用安川公司具有相位控制功能和電子軸方式的MP2300 運動控制器，以MECHATROLINK-II 總線為基礎(chǔ)進行同步控制可以實現(xiàn)。

2 同步結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

2.1 同步結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為選用的同步控制結(jié)構(gòu)示意圖，運動控制器通過MECHATROLINK-II 控制總線連接直驅(qū)驅(qū)動器和其他驅(qū)動器，直驅(qū)驅(qū)動器驅(qū)動直驅(qū)電機，電機的編碼器反饋連回直驅(qū)驅(qū)動器，控制總線是雙向控制，可以發(fā)出指令，也可以讀回電機和驅(qū)動器狀態(tài)。直驅(qū)電機通過機械連接機構(gòu)將偏光片壓緊并可以旋轉(zhuǎn)。

圖1 基于MECHATROLINK-II 總線的同步控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 同步性能指標(biāo)分析

在多數(shù)參考文獻中，均以同步偏差為同步性能考量指標(biāo)，此指標(biāo)僅包含同步的位置偏差，不能反映同步過程中的速度偏差，因此認(rèn)為應(yīng)以位置偏差和速度偏差兩個指標(biāo)來衡量同步性能。實際中是按照下述方法進行的。

位置偏差是每一控制總線周期采集到的兩個同步電機的位置差值，它反映了該控制周期結(jié)束后，兩個同步電機的位置同步狀態(tài)。

速度偏差在研究中進行了近似，分別計算兩軸當(dāng)前控制周期的位置與上一控制周期的位置差，再將兩個位置差進行差值計算作為速度偏差。

3 影響同步控制的因素

從工程角度和實際結(jié)構(gòu)分析，影響直驅(qū)電機同步性能的因素主要有電機旋轉(zhuǎn)速度、加速度、電機剛性、控制方式、總線周期等。

3.1 偏差算法

在研究中，根據(jù)同步性能指標(biāo)位置偏差與速度偏差的描述，編寫了如圖2所示的梯形圖程序。梯形圖第一行計算兩軸位置偏差，其余行近似計算兩軸速度偏差。

圖2 同步偏差算法程序圖

利用安川公司MPE720 編程軟件中的SCOPE功能，獲取不同參數(shù)在同步旋轉(zhuǎn)過程中，不同控制周期下的位置偏差與速度偏差，以評價該參數(shù)對同步控制的影響。結(jié)合項目特點，以每90°轉(zhuǎn)角為一次同步旋轉(zhuǎn)過程，采集直驅(qū)電機3 轉(zhuǎn)的同步數(shù)據(jù)值進行分析。圖3為某一參數(shù)情況下直驅(qū)電機旋轉(zhuǎn)90°獲取的圖形，從中可以獲取偏差的多種信息。

圖3中橫坐標(biāo)為時間，單位為ms；縱坐標(biāo)為角度，單位為0.0001°。

圖3 偏差獲取軟件截圖

3.2 電機旋轉(zhuǎn)速度影響

討論不同控制方式下，電機轉(zhuǎn)速對同步性能的影響。以總線控制時，不使用相位控制方式，通過總線同時啟動電機為一種；另一種以總線控制，增量方式相位控制啟動電機。針對直驅(qū)電機速度不快的特點，選取了三種速度進行比較。表1是比較結(jié)果。表中的偏差值是軟件獲取圖形中的最大值和最小值。

表1 不同速度同步比較

通過表1可以看出，無論是否使用相位同步控制方式，較低的轉(zhuǎn)速有較小的同步偏差。應(yīng)選取滿足生產(chǎn)要求的較小速度值。參考文獻6 中的數(shù)據(jù)也反應(yīng)了當(dāng)速度降低時，同步偏差變小。

3.3 電機剛性的影響

在電機自動整定完成后，以自動整定的剛性值為基礎(chǔ)，在上下一定范圍內(nèi)調(diào)整進行研究。選取了表2所示的幾種剛性值。

單從表2中可以看出剛性為5 時，位移偏差和速度偏差相對較小。從研究時獲取的圖形來看，剛性降低時，波形震蕩間距略有舒緩，當(dāng)剛性提高后，整體波形振幅變大。反映出在剛性低時，跟蹤性能變差，剛性高時系統(tǒng)振幅加大。實際應(yīng)用中，根據(jù)上表選取剛性值為5。

表2 不同剛性同步比較

3.4 兩種相位控制方式的影響

安川MP2300 有兩種相位同步控制方式，一種是增量方式相位同步控制，另一種是速度同步相位同步控制，分別進行了研究，并與不使用相位同步控制進行了比較，表3是比較結(jié)果。

可以看出，使用相位同步控制比不使用相位控制時，同步偏差要小，這個結(jié)果從表1中也可看出，只是稍片面些。而增量方式與速度方式之間的差別不是很大，僅從表3看是增量方式時偏差稍小一些。實際應(yīng)用選取了增量方式。

表3 不同控制方式比較

3.5 總線周期的影響

不同的總線周期下，控制器獲取數(shù)據(jù)的時間不同，對同步性能必然產(chǎn)生影響。受電機類型和設(shè)備軸數(shù)限制，研究過程中總線周期僅能設(shè)為2 ms，無法變更為更短的周期值，定性分析，更短的總線周期下，控制器更快地獲得電機位置，同時更快地對電機進行指令更新。如此定會提高控制軸的同步性能。

4 結(jié)束語

為使偏光片的角度精度達到0.03°的要求，研究了直驅(qū)電機的同步控制。從研究過程中，可以得到，同步控制性能受電機轉(zhuǎn)速、電機剛性、同步控制方式及總線周期的影響，更低的轉(zhuǎn)速，合理的剛性和同步控制方式，更短的總線周期可以獲得更好的同步性能。

在研究中為更好地考量同步性，以同步位置偏差和速度偏差共同衡量。較全面的反應(yīng)同步性能。通過上述研究，0.03°的精度要求得到滿足。

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