CN102355176A - 一种双电机同步控制系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机同步控制系统，其包括：一用于输入用户指令的主控机；与第一电机相连的第一变频器和第一位置编码器；与第二电机相连的第二变频器和第二位置编码器；与所述主控机相连的主控制器，所述主控制器包括一控制器，与所述控制器相连的四条通信线路；所述控制器为运行于主控制器上的控制算法软件程序，所述四条通信线路为：与所述第一变频器相连的第一通信线路；与第一位置编码器相连的第二通信线路；与第二变频器相连的第三通信线路；与第二位置编码器相连的第四通信线路。通过本发明的双电机同步控制系统的实现方法，使第一电机和第二电机达到位置同步运行的要求，且运动控制精度高、系统的灵活性较佳，同时，还具有操作简单、成本低、易于推广等优点。

Description

一种双电机同步控制系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种双电机同步控制系统及其实现方法。

背景技术

在造纸、印染、纺织及数控机床等高精度、高转速传动系统中，多电机同步控制历来是最核心的问题。电机同步控制的好坏直接影响着系统的可靠性和产品的质量。

现有的电机同步控制技术中，电机在同步系统中的地位是相同的：其运行状况、响应速度和负载情况基本相同。在进行电机同步控制时，采用相同的控制手段即可使得多电机实现同步运行。然而，随着数控技术的基本，在一些技术领域中多电机在同步系统中的地位差别很大，比如 ：在利用PET-CT对进行患者病灶部位进行断层成像过程中，其中一种采集投影数据的方式是螺旋扫描。在这种方式下，搭载X射线球管、数据采集系统等影像链主要部件的旋转机架旋转，同时载有患者的运动床水平运动，两者具有一定的位置对应关系以达到均匀投影采样的目的。其中，旋转机架与运动床的驱动电机负载相差悬殊，大惯量调速响应缓慢，但容易维持运行状态，因此，两电机（旋转机架电机和运动床电机）在同步控制过程中的地位不宜等同，两台电机应为主从位置同步关系。

为了实现这种主从电机的同步控制，在目前市场上成熟PET-CT产品中，对旋转机架多采用传统的电机加传动链驱动方式。然而，这种方式增加了机架内部件数量，运动床多为步进电机驱动方式，但步进电机固有的丢步问题又降低了运动的精度。

发明内容

为克服现有技术中双电机在同步系统中地位不等同之时，其控制困难、成本高、运动精度低等问题的不足，本发明的目的在于提供一种运动控制精度高、系统的灵活性较佳的双电机同步控制系统及其实现方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：

一种双电机同步控制系统，其包括：一用于输入用户指令的主控机；与第一电机相连的第一变频器和第一位置编码器；与第二电机相连的第二变频器和第二位置编码器；与所述主控机相连的主控制器，所述主控制器包括一控制器，与所述控制器相连的四条通信线路；所述控制器为运行于主控制器上的控制算法软件程序，所述四条通信线路为：与所述第一变频器相连的第一通信线路；与第一位置编码器相连的第二通信线路；与第二变频器相连的第三通信线路；与第二位置编码器相连的第四通信线路。

进一步的，所述主控制器为嵌入式控制器，其上进一步设置有：中央处理器、用于控制输入和输出的南桥芯片和用于内存管理的北桥芯片，所述中央处理器连接所述南桥芯片和北桥芯片。

进一步的，所述中央处理器为安装有嵌入式实时操作系统的处理器。

进一步的，所述第一电机用于驱动旋转机架，所述第二电机用于驱动运动床。

进一步的，所述第一电机为主电机，其采用三相交流直驱电机；所述第二电机为从电机，其采用三相交流伺服电机。

一种双电机同步控制系统双电机同步控制的实现方法，其包括以下步骤：

S1、系统上电，主控机接收输入的第一电机和第二电机的参考位置，然后发送给主控制器；

S2、主控制器控制第一变频器输出第一给定频率到第一电机；

S3、主控制器计算得到第二给定频率；

S4、主控制器控制第二变频器输出第二给定频率到第二电机；

S5、重复进行步骤S2到S4，直至控制系统停止

进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、主控制器根据接收的第一电机的参考位置和第一位置编码器得到的第一电机的实际位置，计算得到第一电机的位置误差量；

S22、主控制器根据所述位置误差量，经过微分环节得到速度误差量，然后根据所述速度误差量，计算得出第一变频器的第一给定频率。

进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、主控制器根据第一、二位置编码器分别得到第一、二电机的实际位置，经计算得到第二电机的修正误差量；

S32、主控制器根据接收的第二电机的参考位置、第二电机的实际位置和第二电机的修正误差量，计算得到第二电机的位置误差量；

S33、主控制器根据所述位置误差量，经过微分环节得到速度误差量，然后根据所述速度误差量，计算得出第二变频器的第二给定频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的双电机同步控制系统及其实现方法，用于实现对第一电机和第二电机的同步控制，其中，所述双电机同步控制系统包括：主控机、与第一电机相连的第一变频器和第一位置编码器、与第二电机相连的第二变频器和第二位置编码器、与主控机相连的主控制器，所述主控制器又包括有运行于其上的控制软件程序即控制器和四条通信线路。通过本发明的双电机同步控制系统的实现方法，使第一电机和第二电机达到位置同步运行的要求，且运动控制精度高、系统的灵活性较佳，同时，还具有操作简单、成本低、易于推广等优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的双电机同步控制系统的结构框图。

图2是本发明的主控制器的一个执行周期的示意图。

图3为本发明的双电机同步控制系统的实现方法的流程图。

图4为本发明的同步控制原理图。

图5为本发明的同步控制原理传递函数结构图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

请参阅图1，图1是本发明实施例的双电机同步控制系统的结构框图。如图所示，所述的双电机同步控制系统包括：主控机1、与主控机1相连的主控制器8、与第一电机2相连的第一变频器3和第一位置编码器4、与第二电机5相连的第二变频器6和第二位置编码器7。其中，所述主控制器8进一步包括控制器801，与控制器801进行通信的四条通信线路。所述四条通信线路分别为与第一变频器3相连的第一通信线路802、与第一位置编码器4相连的第二通信线路803、与第二变频器6相连的第三通信线路804、与第二位置编码器7相连的第四通信线路805。

具体说来，所述主控机1为直接面向用户的用于接收用户输入指令的控制计算机，在本发明实施例中，所述主控机1上运行windows操作系统和运行用户操作界面应用软件，用户可在该界面下输入第一电机2与第二电机5的同步模式，即第一电机2和第二电机5的参考位置，其中，在本发明实施例中，所述第一电机2为主电机，其采用三相交流直驱电机；第二电机5为从电机，其采用三相交流伺服电机。

在本发明实施例中，所述主控制器8为嵌入式控制器，其上进一步设置有：中央处理器（安装有嵌入式实时操作系统的intel处理器）、用于控制输入和输出的南桥芯片和用于内存管理的北桥芯片，所述中央处理器连接南桥芯片和北桥芯片。在主控制器8的同步控制运行过程中，分为如图2的一个执行周期所示的a、b、c、d共4个进程。其中，在一个执行周期中，a为通信进程，负责对外接收和发送数据，b包括旋转机架电机控制回路算法代码，d包括运动床电机控制回路算法代码，c包括补偿回路计算代码。进程间通过共享内存的方式进行通信。由于此例采用单核CPU，进程实际为顺序执行，即每一时刻只有一个进程占用CPU，进程间轮流执行过程中存在一个上下文切换（图2中e所示）的步骤，当4个进程结束后，还会有一段空闲时间。

进一步地，在本发明实施例中，所述的双电机同步控制系统中，所述第一电机2用于驱动旋转机架，所述第二电机5用于驱动运动床。

请继续参阅图3所示，其为本发明的双电机同步控制系统的实现方法的流程图。如图3所示，所述实现方法包括以下步骤：

S1、系统上电，主控机接收输入的第一电机和第二电机的参考位置，然后发送给主控制器；

S2、主控制器控制第一变频器输出第一给定频率到第一电机；

S3、主控制器计算得到第二给定频率；

S4、主控制器控制第二变频器输出第二给定频率到第二电机；

S5、重复进行步骤S2到S4，直至控制系统停止。

下面着重描述一下各个步骤的具体实现过程。

S1为系统上电，主控机接收输入的第一电机和第二电机的参考位置，然后发送给主控制器。具体说来，整个系统开机上电，然后操作系统初始化，各部分进入就绪状态。用户在主控机的操作界面下输入电机同步模式，即第一电机（以旋转机架的驱动电机为例）与第二电机（以运动床的驱动电机为例）对应的参考位置关系，确定后将该信息发送至主控制器。应当理解的是，这里所述的参考位置为旋转机架和运动床的相对位置，为了便于理解，就将其当做旋转机架的驱动电机和运动床的驱动电机的参考位置。

步骤S2为主控制器控制第一变频器输出第一给定频率到第一电机。具体来说，其进一步包括以下步骤：

S21、主控制器根据接收的第一电机的参考位置和第一位置编码器得到的第一电机的实际位置，计算得到第一电机的位置误差量；

S22、主控制器根据所述位置误差量，经过微分环节得到速度误差量，然后根据所述速度误差量，计算得出第一变频器的第一给定频率。

同时，步骤S3 为主控制器计算得到第二给定频率，其进一步包括：

S31、主控制器根据第一、二位置编码器分别得到第一、二电机的实际位置，经计算得到第二电机的修正误差量；

S32、主控制器根据接收的第二电机的参考位置、第二电机的实际位置和第二电机的修正误差量，计算得到第二电机的位置误差量；

S33、主控制器根据所述位置误差量，经过微分环节得到速度误差量，然后根据所述速度误差量，计算得出第二变频器的第二给定频率。

这里为本发明的同步控制方法的关键，为了便于理解下面参照图示来详细说明本发明的同步控制方法。

请参阅图4所示，其为本发明的同步控制原理图。其中，图中虚线框41内为旋转机架角度控制回路，虚线框42内为运动床位置控制回路，均采用闭环控制。图中θ_r1为旋转机架参考位置，由主控制器根据用户操作指令给出，θ_a1为实际测得的旋转机架位置，由第一位置编码器测出。θ_r1与θ_a1的差θ_e1为位置误差量，经过微分环节得到速度误差量ω_e1。ω_e1经由主控制器计算得出第一变频器的第一给定频率u1，第一变频器通过控制电源电压的频率控制交流电机的转速。另外，运动床位置控制回路与旋转机架角度控制回路除控制器外基本相同。

为了达到双电机同步的目的，设θ_r1与θ_r2满足同步关系θ_r2=fn(θ_r1)。图中位置换算环节实现θ_a=fn(θ_a1)的计算，即由实测的θ_a1计算出运动床此时应达到的位置θ_a，θ_a与θ_a2作比较得到位置误差量θ_e，θ_e作为运动床位置控制回路的额外输入，进一步修正电机的转速。

请一并参阅图5所示，其为同步控制原理传递函数结构图。如图所示，图中方框均表示相应模块在Z域的数学模型。GDF₁与GDF₂为反馈通道的数字滤波器，用以消除传感器带来的高频噪声。GC₁为旋转机架控制器，GC₂为运动床控制控制器，将由下文计算得出。GP₁为旋转机架被控对象数学模型，包括旋转机架相应的D/A转换环节、变频器环节及被控电机。GP₂为运动床被控对象数学模型，包括运动床相应的D/A转换环节、变频器环节及被控电机。GFn对应函数fn的Z变换。

以下为同步原理证明： 

令                                                

由图可得：

整理得：

   公式（1）

若

，则可达到预期目的，代入公式（1）可得：

               公式（2）

由公式（2）可见，设计控制器GC₂如上式即可达到位置同步跟踪目的。

这样一来，便可以通过控制器实现对双电机的同步控制。然后，步骤S5为重复进行步骤S2到S4，直至控制系统停止。

应当理解地是，所述方法中描述的第一电机和第二电机，其功能和样式都可以参考上述双电机同步控制系统中描述的，这里就不再做过多叙述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种双电机同步控制系统，其特征在于，包括：

一用于输入用户指令的主控机（1）；

与第一电机（2）相连的第一变频器（3）和第一位置编码器（4）；

与第二电机（5）相连的第二变频器（6）和第二位置编码器（7）；

与所述主控机（1）相连的主控制器（8），所述主控制器（8）包括一控制器（801），与所述控制器（801）相连的四条通信线路；

所述四条通信线路为：

与所述第一变频器（3）相连的第一通信线路（802）；

与第一位置编码器（4）相连的第二通信线路（803）；

与第二变频器（6）相连的第三通信线路（804）；

与第二位置编码器（7）相连的第四通信线路（805）。

2. 根据权利要求1所述的双电机同步控制系统，其特征在于：所述控制器（801）为嵌入式控制器，其上进一步设置有：中央处理器、用于控制输入和输出的南桥芯片和用于内存管理的北桥芯片，所述中央处理器连接所述南桥芯片和北桥芯片。

3. 根据权利要求2所述的双电机同步控制系统，其特征在于：所述中央处理器为安装有嵌入式实时操作系统的处理器。

4. 根据权利要求1所述的双电机同步控制系统，其特征在于：所述第一电机（2）用于驱动旋转机架，所述第二电机（5）用于驱动运动床。

5. 根据权利要求1所述的双电机同步控制系统，其特征在于：所述第一电机（2）为主电机，其采用三相交流直驱电机；所述第二电机（5）为从电机，其采用三相交流伺服电机。

6. 一种实现权利要求1或2或3或4或5所述的双电机同步控制系统双电机同步控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、系统上电，主控机接收输入的第一电机和第二电机的参考位置，然后发送给主控制器；

S2、主控制器控制第一变频器输出第一给定频率到第一电机；

S3、主控制器计算得到第二给定频率；

S4、主控制器控制第二变频器输出第二给定频率到第二电机；

S5、重复进行步骤S2到S4，直至控制系统停止。

7. 根据权利要求6所述的双电机同步控制的实现方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、主控制器根据接收的第一电机的参考位置和第一位置编码器得到的第一电机的实际位置，计算得到第一电机的位置误差量；

S22、主控制器根据所述位置误差量，经过微分环节得到速度误差量，然后根据所述速度误差量，计算得出第一变频器的第一给定频率。

8. 根据权利要求6所述的双电机同步控制的实现方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、主控制器根据第一、二位置编码器分别得到第一、二电机的实际位置，经计算得到第二电机的修正误差量；

S32、主控制器根据接收的第二电机的参考位置、第二电机的实际位置和第二电机的修正误差量，计算得到第二电机的位置误差量；

S33、主控制器根据所述位置误差量，经过微分环节得到速度误差量，然后根据所述速度误差量，计算得出第二变频器的第二给定频率。

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