1 引言

　　目前，許多高檔數(shù)控系統(tǒng)具備了雙軸同步功能，如市場上廣泛使用的高檔數(shù)控系統(tǒng)西門子840D提供了龍門軸功能，F(xiàn)ANUC-18i數(shù)控系統(tǒng)提供了簡易同步控制軸功能等。雙軸同步驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用越來越成為業(yè)界的熱點呤。從已經(jīng)具備龍門軸功能的數(shù)控系統(tǒng)來看，大多數(shù)控系統(tǒng)采用主從方式的同步控制方法，其原理是從動軸按照一定的協(xié)調(diào)同步關(guān)系跟蹤主動軸運動，同步控制器根據(jù)主動軸和從動軸的位置偏差來調(diào)節(jié)從動軸，從而達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，主從同步控制方式只是根據(jù)主動軸的運動情況調(diào)節(jié)從動軸位置，而從動軸的負載干擾不會反饋回主動軸，因而其同步控制的精度不高。假設(shè)在控制過程中能將兩個同步軸同時調(diào)節(jié)，那么將會快速提高同步軸的響應(yīng)速度。現(xiàn)場總線技術(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軸的同步誤差，同步控制器的輸出同時調(diào)節(jié)兩個同步軸的位置，以達到快速響應(yīng)的目的。通過雙軸同步實驗證明，該方法較主從式控制提高了同步誤差的控制精度同時也減小了兩個軸的跟隨誤差。

2 現(xiàn)場總線與雙軸同步控制概述

　　現(xiàn)場總線為控制器和伺服驅(qū)動器提供了必要的信息交換的手段，本節(jié)概述現(xiàn)場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)場總線如何對雙軸同步控制提供支撐。

　　2.1 現(xiàn)場總線

　　基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場總線的主設(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)動器的硬件板上實現(xiàn)。上位裝置的命令通過現(xiàn)場總線發(fā)給指定的伺服或IO；伺服或10的響應(yīng)也通過現(xiàn)場總線傳給上位裝置。

　　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)過同步控制器的計算將輸出量補償給兩個軸的速度環(huán)。

　　2.2 雙軸同步控制

　　主從式控制是當(dāng)前數(shù)控機床同步控制的一個較為常見的控制策略，采用交流伺服驅(qū)動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)定兩個同方向運動的進給軸，一個為主動軸，一個為從動軸。主動軸伺服運動控制回路由一個伺服驅(qū)動器、一個伺服電機及一個位置檢測裝置。從動軸伺服運動控制回路由另一個伺服驅(qū)動器、另一個伺服電機、及另一個位置檢測裝置組成。CNC的位置控制單元同時發(fā)出位置伺服運動指令到主動軸及從動軸的伺服控制回路。兩個位置檢測裝置的反饋信號除了送回各自的伺服驅(qū)動器比較環(huán)外還將反饋信號送入CNC內(nèi)部的一個比較器做差值比較。做差比較后，差值經(jīng)過調(diào)整送入從動軸伺服控制回路的輸入端。其中，兩個位置檢測裝置的反饋信號差值就是主從軸間的同步誤差。當(dāng)差值為零時，說明兩個軸的位置完全同步。

　　由上述主從同步控制的工作原理可以發(fā)現(xiàn)主動軸受到的干擾會被從動軸反映并跟隨，但是從動軸上受到的任何干擾不會反饋回主動軸。所以這種控制策略兩個同步軸同步調(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)兩個同步軸位置不同步時能同時調(diào)節(jié)兩個軸就可以提高同步軸的響應(yīng)速度，進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)場總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法。

3 基于現(xiàn)場總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法

　　上一小節(jié)對現(xiàn)場總線及雙軸同步控制方法做了概述。由此可知，通過現(xiàn)場總線可以在CNC與伺服間傳送多個數(shù)據(jù)信息，這為雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法的實現(xiàn)提供了支持。下文對基于現(xiàn)場總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制方法進行詳細地闡述。

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

　　本文設(shè)計的基于現(xiàn)場總線的雙軸同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。X和X'為兩個同步軸，接收來自CNC相同的插補位置指令。每個軸伺服都是位置閉環(huán)控制。通過現(xiàn)場總線，CNC獲取兩個同步軸的實際位置，然后計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分配模塊，最后通過現(xiàn)場總線將輸出量補償給兩個軸的速度環(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，另一方面要兼顧兩個同步軸的跟隨誤差，合理協(xié)調(diào)同步控制信號，以減小跟隨誤差。

　　同步誤差計算。在雙軸協(xié)調(diào)同步控制中，同步誤差為兩個同步軸實際位置的偏差。由于兩個軸的位置反饋值通過現(xiàn)場總線上傳到CNC，所以在CNC中只需將這兩個值做相減比較即得到同步誤差。

　　同步控制器C。同步控制器以兩個同步軸的同步位置偏差作為輸入，其輸出作為一種速度補償由控制信號分配模塊分配給兩個同步軸，本質(zhì)上是在兩個同步軸的相對位置上加了一個閉環(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)計方法可以使用。本章采用專家PID控制，即：當(dāng)誤差的絕對值較小時。實施較弱的控制作用；當(dāng)誤差的絕對值較大時，實施較強的控制作用；當(dāng)誤差處于穩(wěn)定時只實施簡單的積分控制。2.2節(jié)將具體闡述雙軸專家PID控制算法的實現(xiàn)。

　　控制信號分配。雙軸協(xié)調(diào)控制的一個重要步驟是控制信號分配。補償量計算準確，分配合理即時，系統(tǒng)的同步性能就會提高，加工出來的產(chǎn)品自然就是高質(zhì)量的；相反，補償量不準，分配不合理，就會使雙軸產(chǎn)生震蕩，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至超過系統(tǒng)報警極限，使加工產(chǎn)品的工作停止。2.3節(jié)將對控制信號分配策略做詳細介紹。

3.2 專家PID控制算法

　　專家控制方法是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，以智能的方式利用這些知識來實現(xiàn)對被控對象的控制。利用專家經(jīng)驗來設(shè)計專家PID參數(shù)便構(gòu)成專家PID控制。error(k)表示第k個同步誤差，Aerror(k)表示當(dāng)前第k個同步誤差相對于上一次(第k-1個)同步誤差的增幅，M為系統(tǒng)設(shè)定的常數(shù)。

　　實施較強的控制作用即是控制器輸出較大調(diào)整量，實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增加或是減小PID參數(shù)的大小來實現(xiàn)。

　　3.3 控制信號分配

　　分析可知兩個同步軸的跟隨誤差有3種形式，控制信號分配策略依據(jù)兩個軸的跟隨誤差進行分配。此時的調(diào)整不是對一個軸進行調(diào)整，而是同時調(diào)整兩個軸。在同步軸中任何一個補償都可以減小同步誤差，具體每個軸補償量的大小，取決于兩個軸跟隨誤差的大小。

　　依據(jù)兩個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，具體的信號分配策略如下：

　　1)X軸和X'軸的實際位置點在位置指令點的同側(cè)，且x軸跟隨誤差小于X'軸的跟隨誤差。此時將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'軸的實際位置點在位置指令點的同側(cè)，x軸跟隨誤差大于X'軸的跟隨誤差。此時將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'軸的實際位置點在位置指令點的兩側(cè)，則將同步控制器輸出按比例分配給兩個軸。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償?shù)絻蓚€同步軸的速度環(huán)中，因此兩個同步軸的伺服除了接收插補位置指令外，還要接收同步誤差速度補償值。這個補償值由現(xiàn)場總線協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議提供。插補指令的應(yīng)用層協(xié)議幀。CNC與伺服間每個傳輸周期可傳輸16個字節(jié)，第二列為CNC下發(fā)的插補命令，第三列為伺服響應(yīng)的反饋位置和狀態(tài)。在本文的設(shè)計中，在插補命令中加入了同步誤差速度補償字段。

4 實驗

　　4.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)實驗平臺

　　本雙軸同步控制實驗是在Linux+RTAI上運行的開放式數(shù)控系統(tǒng)EMC2下進行的，所以實驗中需要搭建基于EMC2的實驗平臺，實驗的軟件平臺，伺服與上位裝置(EMC2)的通信是通過PCI板卡與伺服驅(qū)動器連接的現(xiàn)場總線來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)之間的交換是通過數(shù)據(jù)隊列完成的，同時數(shù)據(jù)隊列也保證了數(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)式同步控制算法實現(xiàn)

　　在2.2和2.3節(jié)中對專家PID控制算法和控制信號分配策略做了詳細的介紹，雙軸協(xié)調(diào)式同步控制算法的實現(xiàn)便很清晰。

　　實驗中的硬件平臺，采用的伺服和電機均由沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司提供。伺服型號是：GJS-015ADA，電機型號為：GJM096ADB22。現(xiàn)設(shè)定的參數(shù)如為：Feed Override(進給率)=100％；Max Velocity(最大速度)=4413mm／min；MAX_ACCELERATION(最大加速度)=3000 ram／min；具體的實驗結(jié)果見3.3節(jié)。

4.3 雙軸同步控制實驗

　　雙軸運動要繪制的指令曲線(心形曲線在X軸方向上的軌跡)。運動軸的參數(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：實驗中將運動過程中的EMC2 halscope中保存的同步誤差采集回來后在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這兩個時間段，電機加減速運動控制較為明顯，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。同時該方法也減小了兩個軸的跟隨誤差。

5 結(jié)論

　　本文分析了傳統(tǒng)的基于數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的雙軸主從同步控制方法存在的問題，在此基礎(chǔ)上結(jié)合運動控制總線的發(fā)展趨勢提出了基于現(xiàn)場總線的雙軸同步協(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，并充分發(fā)揮了自身控制效果的優(yōu)勢。最后通過具體的實驗過程和數(shù)據(jù)對比分析。證明該方法具有更好的控制精度。這種基于現(xiàn)場總線的雙軸同步控制方法，應(yīng)用了主流的數(shù)字現(xiàn)場總線通訊技術(shù)，符合運動控制的技術(shù)發(fā)展方向。