CN102075125B - 数控机床多轴联动伺服控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

数控机床多轴联动伺服控制系统的控制方法，一台电动机为主电动机，其余为从电动机；主电动机接收输入信号，从电动机共享主电动机的输出信号作为其输入信号；主电动机的给定位置参考量与从电动机位置反馈差值的调整量做比较后,作为被同步电动机的位置参考量,从而完成位置同步控制。本发明大大提高了数控机床的控制精度和严格同步的控制要求，利用现代先进的控制技术以及控制策略来实现本发明的控制目的，解决多轴联动数控机床的核心问题。

Description

数控机床多轴联动伺服控制系统的控制方法

技术领域

本发明涉及数控机床领域，尤其指一种数控机床多轴联动伺服控制控制方法。

背景技术

数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。最近国际机床业出现了一个新概念，即万能加工，数控机床既能车削又能进行五轴铣削加工。五轴数控机床在国内外的实际应用表明，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产流水线的投资。

目前多轴联动数控机床所存在的问题是：系统中的每个电机驱动器都接收同一个命令信号，根据电机间的不同速度比例关系，这个命令信号经过控制器分配后加到各电机驱动器上，由于各个电机间没有藕合，所以任何一个电机由于负载扰动或原因引起的速度变化都不会影响到其它电机的状态。由于各个电机驱动器都同一个命令信号源，所以系统的同步主要依靠各电机驱动器对命令信号的跟踪，当其中一个电机的负载变化而引起速度变化时，由于与其他电机没有关联，所以系统的同步性就会被破坏。这种同步方式也要求各个电机驱动器对主令有一致的跟随特性，并且每个电机负载相同或者变化不大的情况。数控机床不同于普通机床的地方,在于数控系统具有很强的控制功能, 多电机同步控制是一个多变量、非线性、强耦合的控制问题，电机间的同步关系会因为多种原因而受到破坏，如果仅仅依靠伺服驱动器本身以开环的方式进行控制是远远不够的，非耦合控制算法不适用于多轴联动数控机床，而传统的耦合控制，是以主电机的输出作为从电机的输入，这样可以使得从电机精确地跟踪主电机。当主电机出现负载突变或是速度跳变时，从电机可以随时跟踪主电机的变化，而不是系统给定值，达到两个电机同步的需要。但是，如果系统中从电机出现负载突变或是速度跳变时，主电机因为没有从电机的任何反馈信息，不能察觉到从电机运行情况的改变，而继续跟踪系统给定值，这样就造成了两台电机的失同步。虽然从电机经过跟踪主电机运动的调整，很快可以再保持与主电机的同步。但即使是这样短暂的失步，对于多电机同步控制系统也会造成比较大的影响。

发明内容

发明目的：为解决数控机床高速度、高精度的同步控制需要，本发明提供一种先进的控制方法来应用于多轴联动数控机床，它大大提高了数控机床的控制精度和严格同步的控制要求，利用现代先进的控制技术以及控制策略来实现本发明的控制目的，解决多轴联动数控机床的核心问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

数控机床多轴联动伺服控制系统的控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

将一台电动机作为主电动机，其余电动机均作为从电动机；

主电动机接收给定的输入信号，而所有的从电动机共享主电动机的输出信号作为其输入信号；

将主电动机的给定位置参考量与从电动机位置反馈差值的调整量做比较后,作为被同步电动机的位置参考量,从而完成位置同步控制；

所述方法具体为：DSP芯片与上位机进行串行通信,接收主电动机和从电动机的起停、正反转以及细分倍数选择信号,这一过程也可以通过拨码进行独立控制；

DSP芯片根据接收的细分倍数信号,读取存储器中给定细分电流的数字控制信号,经过D/A芯片转化为模拟电压信号,与主电动机和从电动机绕组中的电流经过采样电阻转换成的电压信号进行比较,产生斩波信号,从而对主电动机和从电动机的相电流进行控制；

主电动机和从电动机的起停、换相信号直接由DSP芯片的I/O口给定；

主电动机和从电动机共用1组细分I/O口及数据总线,通过相应的使能信号实现分时细分电流给定和位置数据读取。

主电动机和从电动机的转速及转向通过SPI外围电路进行显示。

优点及效果：本发明可用于各种多轴联动数控系统中，可以很好的解决数控机床多轴伺服联动高精度同步控制问题，对研究机床多轴伺服联动高精度同步控制技术也是有很大的帮助，对研究机床多轴联动伺服系统在控制对象和参量变化时静、动态性能的控制问题也提出了很多宝贵的建议，本发明系统还有很好的鲁棒性，建立控制系统数学模型简单方便，在本发明的基础上，可以很好的研究机床多轴伺服联动高精度同步控制策略与实现，从而能实现对任意性质有界扰动的抑制和对任意有界参考输入的准确跟踪，并且建立机床多轴伺服控制系统的控制模型和完成控制器的设计。

附图说明：

图1 为以三轴联动数控机床伺服控制系统为例的机构简图；

图2 为实际三轴联动电机控制系统原理框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

图1 为以三轴联动数控机床伺服控制系统为例的机构简图,如图所示，第一台为主电动机M1，其余的都为从电动机M2、M3，主电动机M1接收给定的输入信号，而从电动机M2、M3共享主电动机M1的输出信号作为其输入信号。本发明在传统的主从方式交叉耦合控制算法中，加入从电机对于主电机的反馈，使得不仅从电机可以精确地跟踪主电机，主电机也可以在从电机运行情况发生变化时改变自己的运行以保持与从电机的同步，能够实现对位置、转矩等不同参量的控制。由于位置检测装置的引入,从而组成了位置速度双闭环系统,实现了位置同步控制。数控机床的同步控制方法可以概括为:将同步电动机的给定位置参考量与两电动机位置反馈差值的调整量做比较后,作为被同步电动机的位置参考量,从而完成位置同步控制。

实际三轴联动电机控制系统结构如图2所示，本发明基于32位定点DSP芯片TMS320F2812，能够实时、准确、可靠地控制各电机，具有良好的可行性。通过本发明运动控制方案，在实验中实现了对3台电机的同步控制,电机数目可进行扩展。DSP芯片通过RS232总线与上位机进行串行通信,接收3台电动机的起停、正反转以及细分倍数选择信号,该过程也可以通过拨码进行独立控制。以主电动机M1的控制为例, DSP芯片根据接收的细分倍数信号,读取存储器中给定细分电流的数字控制信号,经过D/A芯片转化为模拟电压信号,与电机绕组中的电流经过采样电阻转换成的电压信号进行比较,产生斩波信号,从而达到控制电机相电流的目的；而主电动机M1的起停、换相信号直接由DSP芯片的I/O口给定。从电动机M2、M3与主电动机M1共用一组8位细分I/O口及数据总线，通过相应的使能信号实现分时细分电流给定和位置数据读取，控制方式与主电动机M1相同。3台电动机的转速及转向可通过SPI外围电路进行显示。系统的硬件部分主要由电源电路、通信模块、电流采样电路、位置解码电路、光电编码器、细分值给定电路、斩波恒值电路及集成驱动电路组成。其中, 位置解码电路、光电编码器、细分值给定电路、斩波恒值电路和集成驱动电路是控制电动机运行的核心。

Claims (1)

1.数控机床多轴联动伺服控制系统的控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

将一台电动机作为主电动机，其余电动机均作为从电动机；

主电动机接收给定的输入信号，而所有的从电动机共享主电动机的输出信号作为其输入信号；

将主电动机的给定位置参考量与从电动机位置反馈差值的调整量做比较后,作为被同步电动机的位置参考量,从而完成位置同步控制；

所述方法具体为：DSP芯片与上位机进行串行通信,接收主电动机和从电动机的起停、正反转以及细分倍数选择信号,这一过程也可以通过拨码进行独立控制；

DSP芯片根据接收的细分倍数信号,读取存储器中给定细分电流的数字控制信号,经过D/A芯片转化为模拟电压信号,与主电动机和从电动机绕组中的电流经过采样电阻转换成的电压信号进行比较,产生斩波信号,从而对主电动机和从电动机的相电流进行控制；

主电动机和从电动机的起停、换相信号直接由DSP芯片的I/O口给定；

主电动机和从电动机共用1组细分I/O口及数据总线,通过相应的使能信号实现分时细分电流给定和位置数据读取。

2、根据权利要求1所述数控机床多轴联动伺服控制系统的控制方法，其特征在于：主电动机和从电动机的转速及转向通过SPI外围电路进行显示。

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