基于MECHATROLINK-II總線的雙軸直驅同步控制工藝研究

賈霞彥

(太原風華信息裝備股份有限公司，山西 太原030024)

在開發研制中小型偏光片磨邊機過程中，采用一對直驅電機上下壓緊的結構方式，旋轉壓緊偏光片進行角度旋轉磨削加工，完成產品的角度精度能達到一定的指標，為滿足高端偏光片品質的要求，使角度精度達到±0.03°的要求，必須改善旋轉方式，提高產品的角度精度。

從決定角度精度的因素分析，有靜態和動態兩方面因素，靜態方面有機械結構和電機的定位精度；動態方面有磨削加工時產生的切削力，偏光片壓緊旋轉時上下需能夠同步完成旋轉。靜態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。動態方面因素需調整加工工藝和改善對直驅電機的同步控制方式和方法，因此需研究對直驅電機的同步控制技術。

1 同步控制的結構形式

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）。

綜合國內外相關文獻資料來看，實現雙軸同步控制的方法通常有兩種：一種是傳統的機械方式，另一種是當前較流行的電控方式。顯然，機械同步方式由于機械結構的限制，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、串聯控制和交叉耦合控制三種結構形式。

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，即采用結構完全相同的兩套驅動系統并行運行。由于軸間各自獨立控制，無交互作用，當運行過程中某一軸受到擾動時，將會產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動結構的細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。

并行控制在應用中有兩種控制方式，一種是同時給定脈沖方式啟動驅動器；另一種是由控制總線同時發出指令啟動驅動器，兩種方式均得以應用。同時給定脈沖方式可以是控制器同時發出兩路脈沖給兩個驅動器，也可以是一路脈沖分開兩路給兩個驅動器，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，認為也應屬于并行控制。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為也可以達到一定的同步控制精度。

1.2 串聯控制

串聯控制結構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生的軸間同步位置偏差。同時，因主、從動軸控制系統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，且由于機械系統的延遲，使得其主要應用在對位置同步精度要求不高的系統中。

1.3 交叉耦合控制

交叉耦合結構形式的雙軸同步控制是在并行控制的基礎上，考慮了軸間控制的耦合和協調關系，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對軸間位置偏差的協調、補償，從而獲得較好的軸間同步性能。該控制方式下，同步性能的優劣關鍵取決于補償策略，應用不同算法，軸間同步性能將有所不同。現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 總線為基礎進行同步控制可以實現。

2 同步結構及性能指標

2.1 同步結構圖

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

圖1 基于MECHATROLINK-II 總線的同步控制結構圖

2.2 同步性能指標分析

在多數參考文獻中，均以同步偏差為同步性能考量指標，此指標僅包含同步的位置偏差，不能反映同步過程中的速度偏差，因此認為應以位置偏差和速度偏差兩個指標來衡量同步性能。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束后，兩個同步電機的位置同步狀態。

速度偏差在研究中進行了近似，分別計算兩軸當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構分析，影響直驅電機同步性能的因素主要有電機旋轉速度、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，根據同步性能指標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，獲取不同參數在同步旋轉過程中，不同控制周期下的位置偏差與速度偏差，以評價該參數對同步控制的影響。結合項目特點，以每90°轉角為一次同步旋轉過程，采集直驅電機3 轉的同步數據值進行分析。圖3為某一參數情況下直驅電機旋轉90°獲取的圖形，從中可以獲取偏差的多種信息。

圖3中橫坐標為時間，單位為ms；縱坐標為角度，單位為0.0001°。

圖3 偏差獲取軟件截圖

3.2 電機旋轉速度影響

討論不同控制方式下，電機轉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，較低的轉速有較小的同步偏差。應選取滿足生產要求的較小速度值。參考文獻6 中的數據也反應了當速度降低時，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，在上下一定范圍內調整進行研究。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，剛性高時系統振幅加大。實際應用中，根據上表選取剛性值為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，控制器獲取數據的時間不同，對同步性能必然產生影響。受電機類型和設備軸數限制，研究過程中總線周期僅能設為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 結束語

為使偏光片的角度精度達到0.03°的要求，研究了直驅電機的同步控制。從研究過程中，可以得到，同步控制性能受電機轉速、電機剛性、同步控制方式及總線周期的影響，更低的轉速，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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