CN112947138A - 一种双轴同步控制单元及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴同步控制单元及控制方法，该控制单元包括主动轴、从动轴、主动轴电机、从动轴电机、控制主动轴电机的第一伺服驱动器、控制从动轴电机的第二伺服驱动器、速度控制模块、速度补偿模块、误差分析模块、主控板、对应主动轴电机的电机编码器；其中主控板实时采集双轴电机电流信息并进行对比补偿，可适应两个电机负载不同时的工况和负载不断变化时的工况，并同时根据主动轴电机速度输出从动轴电机速度；从动轴速度＝主动轴速度+补偿速度。

Description

一种双轴同步控制单元及控制方法

技术领域

本发明涉及动力系统的双轴驱动技术领域。

背景技术

市面上现有的双轴同步控制器一般都是通过CANOPEN通讯控制一个驱动轴做主，另外一个驱动轴做从的跟随同步，通过canopen实时对主轴发送速度控制指令，从轴再根据主轴的速度进行实时跟随。现有的双轴同步控制器一般都是通过CANOPEN通讯进行两个电机的主从跟随同步，这种同步方式只能实现简单的从动轴跟随主动轴随动，在跟随出现偏差时并不能对主轴进行主动干预，且对两轴位置环和电流环偏差没有实时监测，不能对外围负载的变化趋势提前形成主动干预控制，控制效果较差。同时，Canopen通讯直接控制电机速度的响应时效及频率相比脉冲来说控制效果较差，且主从跟随时从动轴电机的响应存在时间置后。现有的双轴同步控制器一般都是在电机输出侧实现同步控制，而实际应用则是在机械结构动力输出侧的终端位置实现同步，这就需要控制器具有能够调节和补偿外部实际偏差的功能，而现有的控制器不能满足此需求。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种双轴同步控制单元及控制方法，通过差值计算与补偿对二个电机进行实时速度控制，达到两个电机同步运行的目的。

技术方案：为达到上述目的，本发明双轴同步控制单元可采用如下技术方案：

一种双轴同步控制单元，包括主动轴、从动轴、主动轴电机、从动轴电机、控制主动轴电机的第一伺服驱动器、控制从动轴电机的第二伺服驱动器、速度控制模块、速度补偿模块、误差分析模块、主控板、对应主动轴电机的电机编码器；

所述主控板用以根据采集的主动轴当前电机编码器值及目标位置，采用运行控制曲线进行计算，输出主动轴电机速度，同时根据主动轴电机速度输出从动轴电机速度；从动轴速度＝主动轴速度+补偿速度；

所述速度控制模块用以接收主控板的指令并控制主动轴电机速度和从动轴电机速度；

所述误差分析模块用以计算得出主动轴电机、从动轴电机实时的位置跟随误差、速度偏差、负载偏差，以及电机速度变化趋势信息

所述速度补偿模块以误差分析模块计算所得的各种偏差数据做为补偿模块的输入参数，结合内部补偿计算得出补偿的速度差值，补偿给从动轴电机。

进一步的，主控板通过Can通讯TPDO同步帧方式同步读取主动轴电机、从动轴电机的位置、跟随误差、转矩、速度参数，通过脉冲给主动轴电机、从动轴电机写实时速度。

进一步的，所述速度控制模块输出两种模式：一、双轴同步模式，即主动轴、从动轴速度和位置同步；二、双轴偏差补偿模式，即主动轴、从动轴机械输出每圈偏差固定编码器值，用以补偿外部结构误差导致的输出不同步。

进一步的，还包括异常处理模块，当控制系统受外在因素影响造成了主动轴电机、从动轴电机卡死后，异常处理模块具有重新调整恢复主动轴电机、从动轴电机正常工作的功能。

本发明提供的根据所述双轴同步控制单元的控制方法可采用以下技术方案，提供双轴偏差补偿以获取补偿速度，包括以下步骤：

(1)、提供预设转速且无外部负载干扰下主动轴、从动轴的响应曲线；该响应曲线记录于直角坐标系中，且X轴为时间、Y轴为转速；

(2)、主动轴和从动轴本身的速度控制是PID控制，主动轴和从动轴的速度控制均采用的计算公式如下：u(k)＝kpa*e(k)+kia*Ee+kda*(e(k)-e_1)；

u(k)是K时刻需要叠加到输入的调整值，e(K)是K时刻当前值和给定值间的差值，Ee是e(k)之前到当前时刻的积分，e_1是上一采样时刻输出值和给定值间的偏差；Kpa是比例系数，Kia是积分系数，kda是微分系数；

(3)、记录当从动轴因负载变化引入干扰后的响应曲线，以及此时主动轴和从动轴间的偏差曲线；

(4)、对偏差曲线的100～200ms时刻段进行采样，设定采样次数N＝100，采样间隔1ms,对该采样数据用最小二乘法进行线性拟合p＝polyfit(k1,yd(k1),1)；

得出误差函数ee＝k1*p(1)+p(2)；

(5)、将误差补偿给主动轴得出最终调整后的主动轴控制曲线e(k2)＝ya(k2)-ee(k2)；

同理若检测出主动轴负载电流变大受到外部干扰，则将误差补偿给从动轴。

若外部机械存在偏差，通过外部测定一定量程内外部机械偏差△S，此时设该一定量程内电机转了n圈，通过计算转换为每圈需要补偿的脉冲值P，补偿给外部输出小的轴，该项补偿通过参数设置直接补偿给主动轴与从动轴的控制脉冲输出P，P＝(△S*m/πD)*Enp/n其中Enp为电机每圈的编码器分辨率，D为外部输出轴轮径,m为电机减速比。

有益效果：相对于现有技术，本发明提供的技术方案具有以下技术效果。

(1)实时采集双轴电机电流信息并进行对比补偿，可适应两个电机负载不同时的工况和负载不断变化时的工况。

(2)采用脉冲控制方式控制双轴电机速度，调节精度高，响应速度快.

(3)控制系统除了包含对双轴电机的同步控制外，还包含对外部机械输出偏差的偏差补偿。

(4)控制系统对双轴电机位置偏差窗口进行实时监控，当偏差超出设定范围，可对主动轴进行干预，避免因从动轴无法跟随造成的外部机械卡死。

附图说明

图1是本发明双轴同步控制单元结构示意图。

图2集成了双轴同步控制单元的双轴同步控制板设计图。

图3是双轴同步控制板双轴偏差补偿算法仿真图。

具体实施方式

请结合图1所示，本实施例公开一种双轴同步控制单元，包括主动轴、从动轴、主动轴电机、从动轴电机、控制主动轴电机的第一伺服驱动器、控制从动轴电机的第二伺服驱动器、速度控制模块、速度补偿模块、误差分析模块、异常处理模块、主控板、对应主动轴电机的电机编码器。

所述主控板用以根据采集的主动轴当前电机编码器值及目标位置，采用运行控制曲线进行计算，输出主动轴电机速度，同时根据主动轴电机速度输出从动轴电机速度；从动轴速度＝主动轴速度+补偿速度。

所述速度控制模块用以接收主控板的指令并控制主动轴电机速度和从动轴电机速度。所述速度控制模块输出两种模式：一、双轴同步模式，即主动轴、从动轴速度和位置同步；二、双轴偏差补偿模式，即主动轴、从动轴机械输出每圈偏差固定编码器值，用以补偿外部结构误差导致的输出不同步。

所述误差分析模块用以计算得出主动轴电机、从动轴电机实时的位置跟随误差、速度偏差、负载偏差，以及电机速度变化趋势信息。

所述速度补偿模块以误差分析模块计算所得的各种偏差数据做为补偿模块的输入参数，结合内部补偿计算得出补偿的速度差值，补偿给从动轴电机。主控板通过Can通讯TPDO同步帧方式同步读取主动轴电机、从动轴电机的位置、跟随误差、转矩、速度参数，通过脉冲给主动轴电机、从动轴电机写实时速度

当控制系统受外在因素影响造成了主动轴电机、从动轴电机卡死后，异常处理模块具有重新调整恢复主动轴电机、从动轴电机正常工作的功能。

该双轴同步控制单元可实时控制二个电机的速度，实现二个电机间的速度跟随和位置跟随。在检测到从动轴和主动轴间位置跟随误差大于某一范围值时可主动对从动轴电机进行速度补偿，并快速的调整二个电机位置偏差回到指定范围内。

该双轴同步控制单元集成在电路板上，如图2所示，集成该控制单元的双轴同步控制板包含二个CAN口通讯，一个与速度控制模块连接，另外一个与预留的其他电机驱动器连接。一路RS232和一路RS485用于和主控板作通讯。二个驱动器采用脉冲控制端口进行速度实时控制，采用CAN通讯PDO同步帧读取驱动器速度、位置、状态等信息。预留4组DIO控制点分别和1路森创RS2027、2路步科OD124、1路FD123 IO口对接，进行驱动器使能、复位、急停控制以及读取驱动器故障、就绪信号；另预留6个DI用于采集各个电机的原点信号。要求双轴同步控制器可实时控制二个电机的速度，实现二个电机间的速度跟随和位置跟随。在检测到从动轴和主动轴间位置跟随误差大于某一范围值时可主动对从动轴电机进行速度补偿，并快速的调整二个电机位置偏差回到指定范围内。注意双轴同步控制模块的电磁兼容，以免和驱动器间产生电磁干扰影响正常使用。要求有外壳，并满足-25～55度环境温度使用

请再结合图3所示，给出一种图1中控制单元的控制方法，请参考图3所示，包括以下步骤

1、给定值为1500rpm，且无外部负载干扰下AB轴的响应曲线如图2；其中A轴为主动轴，B轴为从动轴；

2、A轴和B轴本身的速度控制是PID控制，计算公式如下：u(k)＝kpa*e(k)+kia*Ee+kda*(e(k)-e_1)；

u(k)是K时刻需要叠加到输入的调整值，e(K)是K时刻当前值和给定值间的差值，Ee是e(k)之前到当前时刻的积分，e_1是上一采样时刻输出值和给定值间的偏差；

Kpa:比例系数，Kia：积分系数，kda:微分系数；

3、当B轴因负载变化引入干扰后的响应曲线如上图yc，此时AB两轴间的偏差曲线如上图偏差值预估曲线yd；

4、对偏差曲线的100～200ms时刻段进行采样，设定采样次数N＝100，采样间隔1ms,对该采样数据用最小二乘法进行线性拟合p＝polyfit(k1,yd(k1),1)；

得出误差函数ee＝k1*p(1)+p(2)；

5、将误差补偿给A轴得出最终调整后的A轴控制曲线ye(k2)＝ya(k2)-ee(k2)；

6、同理若检测出A轴负载电流变大受到外部干扰，则将误差补偿给B轴；

7、若外部机械存在偏差，可通过外部测定一定量程(假设此量程电机转了n圈)内AB轴的外部机械偏差△S，通过计算转换为每圈需要补偿的脉冲值P，补偿给外部输出小的轴，该项补偿可通过参数设置直接补偿给AB轴的控制脉冲输出。P＝(△S*m/πD)*Enp/n其中Enp为电机每圈的编码器分辨率，D为外部输出轴轮径,m为电机减速比。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种双轴同步控制单元，其特征在于，包括主动轴、从动轴、主动轴电机、从动轴电机、控制主动轴电机的第一伺服驱动器、控制从动轴电机的第二伺服驱动器、速度控制模块、速度补偿模块、误差分析模块、主控板、对应主动轴电机的电机编码器；

所述主控板用以根据采集的主动轴当前电机编码器值及目标位置，采用运行控制曲线进行计算，输出主动轴电机速度，同时根据主动轴电机速度输出从动轴电机速度；从动轴速度＝主动轴速度+补偿速度；

所述速度控制模块用以接收主控板的指令并控制主动轴电机速度和从动轴电机速度；

所述误差分析模块用以计算得出主动轴电机、从动轴电机实时的位置跟随误差、速度偏差、负载偏差，以及电机速度变化趋势信息；

所述速度补偿模块以误差分析模块计算所得的各种偏差数据做为补偿模块的输入参数，结合内部补偿计算得出补偿的速度差值，补偿给从动轴电机。

2.根据权利要求1所述的双轴同步控制单元，其特征在于：主控板通过Can通讯TPDO同步帧方式同步读取主动轴电机、从动轴电机的位置、跟随误差、转矩、速度参数，通过脉冲给主动轴电机、从动轴电机写实时速度。

3.根据权利要求2所述的双轴同步控制单元，其特征在于：所述速度控制模块输出两种模式：一、双轴同步模式，即主动轴、从动轴速度和位置同步；二、双轴偏差补偿模式，即主动轴、从动轴机械输出每圈偏差固定编码器值，用以补偿外部结构误差导致的输出不同步。

4.根据权利要求1或2或3所述的双轴同步控制单元，其特征在于：还包括异常处理模块，当控制系统受外在因素影响造成了主动轴电机、从动轴电机卡死后，异常处理模块具有重新调整恢复主动轴电机、从动轴电机正常工作的功能。

5.一种根据权利要求1至4中任一项所述双轴同步控制单元的控制方法，其特征在于，提供双轴偏差补偿以获取补偿速度，包括以下步骤：

(1)、提供预设转速且无外部负载干扰下主动轴、从动轴的响应曲线；该响应曲线记录于直角坐标系中，且X轴为时间、Y轴为转速；

(2)、主动轴和从动轴本身的速度控制是PID控制，主动轴和从动轴的速度控制均采用的计算公式如下：u(k)＝kpa*e(k)+kia*Ee+kda*(e(k)-e_1)；

u(k)是K时刻需要叠加到输入的调整值，e(K)是K时刻当前值和给定值间的差值，Ee是e(k)之前到当前时刻的积分，e_1是上一采样时刻输出值和给定值间的偏差；Kpa是比例系数，Kia是积分系数，kda是微分系数；

(3)、记录当从动轴因负载变化引入干扰后的响应曲线，以及此时主动轴和从动轴间的偏差曲线；

(4)、对偏差曲线的100～200ms时刻段进行采样，设定采样次数N＝100，采样间隔1ms,对该采样数据用最小二乘法进行线性拟合p＝polyfit(k1,yd(k1),1)；

得出误差函数ee＝k1*p(1)+p(2)；

(5)、将误差补偿给主动轴得出最终调整后的主动轴控制曲线e(k2)＝ya(k2)-ee(k2)；

同理若检测出主动轴负载电流变大受到外部干扰，则将误差补偿给从动轴。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：

若外部机械存在偏差，通过外部测定一定量程内外部机械偏差△S，此时设该一定量程内电机转了n圈，通过计算转换为每圈需要补偿的脉冲值P，补偿给外部输出小的轴，该项补偿通过参数设置直接补偿给主动轴与从动轴的控制脉冲输出P，P＝(△S*m/πD)*Enp/n其中Enp为电机每圈的编码器分辨率，D为外部输出轴轮径,m为电机减速比。

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