CN116893694A - 一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，包括：4套光栅尺、4套伺服电机、2套倾角仪，安装于波荡器的各端；光电限位、机电限位、硬限位、急停按钮、报警器、和指示灯；从站控制机箱，其包括PLC控制器，其上设有运动控制模块和逻辑控制模块；伺服驱动器，与伺服电机、运动控制模块连接；位置输入模块与光栅尺相连，并且与运动控制模块相连；模拟输入模块与倾角仪、逻辑控制模块相连；数字输入模块与光电限位、机电限位和急停按钮、与逻辑控制模块相连；数字输出模块与指示灯和报警器、逻辑控制模块相连。本发明还提供相应的方法。本发明的系统响应速度快、高动态性能、控制精度高，并具有冗余位置反馈和保护。
Description
技术领域
本发明属于运动控制技术领域，具体涉及一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统及方法。
背景技术
波荡器是先进同步辐射光源及自由电子激光的主要发光器件，电子束流要通过波荡器内部交替排列的磁块才能发出高亮度的光。运动控制系统是波荡器不可或缺的重要组成部分，其主要任务是完成包括波荡器上、下磁极间隙GAP、上下磁极夹角(Taper)的高精度运动调节，进而调节辐射光的波长。波荡器运动控制在同步辐射光源及自由电子激光的波荡器磁极运动及后期的运行维护工作中发挥重要作用，因此研制高可靠性、高安全性、高精度、多重保护的波荡器运动控制具有重要意义。
调研国内外各粒子加速器光源的波荡器，其中国外波荡器以欧洲X射线自由电子激光装置(简称EUROPEAN XFEL)和美国斯坦福大学直线加速器相干光源II(简称LCLS II)为主要代表，国内以上海同步辐射光源(简称SSRF)、北京高能物理研究所研制的波荡器为主要代表，发现主要通过控制四套传动机构实现磁极间隙(GAP)、上下磁极夹角(Taper)的运动，波荡器常见的运动控制模式：GAP模式、Taper模式、Center模式、维护模式，如图1A-图1D所示。欧洲X射线自由电子激光装置(简称EUROPEAN XFEL)研制的四轴运动的波荡器见参考文献【THE UNDULATOR CONTROL SYSTEM FOR THE EUROPEAN XFEL，Proceedings of IPAC2012,New Orleans,Louisiana,USA】，美国斯坦福大学直线加速器相干光源II(简称LCLSII)研制的四轴运动的波荡器见参考文献【LCLS-II UNDULATOR MOTION CONTROL，16thInt.Conf.on Accelerator and Large Experimental Control Systems ICALEPCS2017,Barcelona,Spain JACoW Publishing】。
EUROPEAN XFEL和LCLS II的波荡器的本地运动控制系统都采用的方案架构采用控制机箱+4套伺服电机+2套光栅尺+2套倾角仪，波荡器的本地运动控制系统的结构配置布局如图2所示，其中两套光栅尺分别设置在波荡器的入口端部和出口端部。这种波荡器的本地运动控制系统在波荡器的运行过程中可能会存在以下问题：
(1)由于安装的光栅尺距离束流位置较近，所以调束流过程中，束流击中光栅尺的概率增大；
(2)由于安装的光栅尺距离束流位置较近，产生的辐射，可能导致光栅尺“死机”或“读数值”跳变；
(3)由于只有两套光栅尺，所以使用光栅尺作为位置反馈时，不能实现波荡器的上磁极大梁和下磁极大梁同时向上运动或向下运动(中心模式)；
(4)如果使用入口和出口的光栅尺作为反馈，则如图2所示下磁极大梁的传动轴二和传动轴四带动大梁向y轴方向平移运动，y轴方向是竖直方向，下磁极大梁两个传动轴使用伺服电机内部的电机编码器的修正值作为反馈，而上磁极大梁的传动轴一和传动轴三的沿y轴的运动则根据光栅尺的读数进行控制，光栅尺只能反馈上磁极大梁入口和上磁极大梁出口在y轴方向上的位置值，故调节波荡器的上、下磁极间隙(GAP)和上下磁极夹角(Taper)，不能完全使用光栅尺反馈调节。具体来说，如图2所示下磁极大梁两个传动轴分别是传动轴二和传动轴四，上磁极大梁两个传动轴分别是传动轴一和传动轴三，其中传动轴一会带动入口端上磁极大梁运动，传动轴三会带动出口端上磁极大梁运动，传动轴二会带动入口端下磁极大梁运动，传动轴四会带动出口端下磁极大梁运动，故通过控制传动轴带动大梁的运动就可是实现GAP和Taper的调节。如图2和图1A所示，传动轴一和传动轴三带动上磁极大梁往y轴正向运动，传动轴二和传动轴四带动下磁极大梁往y轴负向运动，GAP会增大。如图2和图1B所示，传动轴一和传动轴二保持不动，传动轴三带动出口端的上磁极大梁往y轴正向运动和传动轴四带动出口端的下磁极大梁往y轴负向运动，Taper会增大。入口处的GAP是入口处的一套光栅尺和一套电机编码器(或两套电机编码器)读数之和，出口处的GAP是出口处的一套光栅尺和一套电机编码器(或两套电机编码器)读数之和。Taper调节是波荡器实际运动需求之一，通过入口的传动轴一和传动轴二保持不动，而传动轴三和传动轴四分别带动上磁极大梁出口和下磁极大梁出口沿着y轴相反方向运动，就可调节上下磁极夹角(Taper)范围一般是0°～0.005°；两个倾角仪分别读取上下磁极大梁的倾角，在逻辑控制模块中要求上下磁极大梁的倾角不允许超过0.01°，防止大梁变形，造成机械破坏，所以倾角仪用于防止大梁超过0.01°的倾斜，保护磁极大梁。如图2所示，EUROPEAN XFEL和LCLS II的四轴波荡器只有两套光栅尺，故使用光栅尺反馈时，光栅尺只能用于反馈和监测上磁极大梁入口和出口的位置，下磁极大梁入口和出口的位置需要使用电机编码器反馈和监测；或者也可以全部使用电机编码器分别监测和反馈上大梁入口和出口的位置、下磁极大梁入口和出口的位置。
如图3所示，北京高能物理研究所研制的波荡器研制的四轴运动的CPMU波荡器见参考文献【高能同步辐射光源HEPS插入件控制系统研究，赵述涛，2021年12月】，其运动控制采用的方案架构为：控制机柜+4套自带旋转变压器的伺服电机+4套光栅尺，其中4套光栅尺分别光栅尺在波荡器的入口上端部、出口上端部、入口下端部、出口下端部的附近；CPMU伺服电机内部是旋转变压器，用于反馈电机运动速度，CPMU无倾角仪器，去防止大梁变形。这种控制方案在波荡器运行过程中会存在以下不足:
(1)没有使用倾角仪冗余保护，当光栅尺反馈位置故障时，电机运动可能导致磁极大梁倾斜出现倾角，甚至导致磁极大梁变形；
(2)伺服电机内的旋转变压器用于电机的速度反馈控制，由于没有设置用于电机的位置和速度反馈控制的电机编码器，因此，没有用于冗余的位置反馈、位置监测保护。
针对上述问题，现有技术中，若光栅尺出现异常现象(“死机”或“读数值”跳变现象)，通常需要工作人员到波荡器本地控制机柜对光栅尺断电重启，恢复其正常工作；若光栅尺出现损坏时，需要打开加速器隧道，更换光栅尺。所以现有技术费时费力，导致不能快速高效解决问题，给同步辐射光源或自由电子激光装置的运行维护带来不便，影响用户的供光机时。
然而，随着用户对供光品质、机时的要求提升和新一代光源的建造需求，加速器装置的长度已经从百米量级上升为千米量级，例如正在建设的上海硬X射线自由电子激光装置全长3.11km，埋深29米，这给波荡器运行维护，甚至加速器运行维护带来极大的挑战，故需要对现有的波荡器运动控制技术进行优化，研制高可靠性、高安全性、高精度、多重保护、冗余位置反馈的波荡器运动控制具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统及方法，可用于正在建设的上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE工程)或先进粒子加速器光源，以实现冗余位置反馈和保护。
为了实现上述目的，本发明提供一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，包括：
4套光栅尺，其分别安装于波荡器的入口上端、入口下端、出口上端和出口下端；
4套伺服电机，其分别安装于波荡器的入口上端、入口下端、出口上端和出口下端并且具有电机编码器，并通过传动轴与波荡器连接；
2套倾角仪，其分别安装在波荡器的出口上端的附近及波荡器的出口下端的附近；
光电限位、机电限位、硬限位、急停按钮、报警器、和指示灯；以及
从站控制机箱，其包括PLC控制器、以及与所述PLC控制器连接的伺服驱动器、位置输入模块、模拟输入模块、数字输入模块、和数字输出模块；其中，PLC控制器上设有运动控制模块和逻辑控制模块；所述伺服驱动器与所述伺服电机相连并且通过NC控制器与所述运动控制模块连接；所述位置输入模块与4套光栅尺均相连，并且通过NC控制器与所述运动控制模块相连；所述模拟输入模块与2套倾角仪相连，并且与所述逻辑控制模块相连；所述数字输入模块与光电限位、机电限位和急停按钮均相连，并且与逻辑控制模块相连；所述数字输出模块与指示灯和报警器均相连，并且与逻辑控制模块相连。
所述光电限位、机电限位、硬限位均安装在上磁极大梁入口上附近、上磁极大梁出口上附近、下磁极大梁入口下附近及下磁极大梁出口下附近，用于波荡器运动到最大间隙位置和最小间隙位置的三重限位保护。
所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统还包括主站控制机柜，所述主站控制机柜安装在技术走廊，在本地模式时可用于发送控制命令给控制从站控制机箱和读取从站控制机箱的状态，在远程模式时主站控制机柜设置为和中央控制室交互信息。
所述运动控制模块设置为向伺服驱动器发出运动的位置、速度的命令，以控制伺服电机的运动，逻辑控制模块设置为实现倾角逻辑保护方法、指示灯显示运动状态的方法、报警器故障报警方法、限位开关限位保护方法，急停按钮急停保护方法。
所述伺服驱动器的数量为2个，每个伺服驱动器与2套伺服电机相连；所述伺服驱动器设置为响应于运动控制模块发送给伺服驱动器的位置、速度的命令以及电机编码器反馈给伺服驱动器的位置、速度、扭矩信号，控制伺服电机的位置、速度和力矩，并将电机编码器反馈给伺服驱动器的位置、速度、扭矩信号发送给运动控制模块以作为运动控制模块的输入变量。
所述位置输入模块设置为获取光栅尺读数，然后将光栅尺读数通过NC控制器传递给运动控制模块，作为运动控制模块的输入变量。
所述数字输出模块设置为将逻辑控制模块的输出变量转化为开关量，并传递给指示灯和报警器，以实现指示灯显示运动状态的方法和报警器故障报警方法；
指示灯显示运动状态的方法和报警器故障报警方法包括：在发生故障时，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报；否则，逻辑控制模块的输出变量的信号值置0，通过数字输出模块将信号值为0的逻辑控制模块的输出变量转化为表示关断的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯熄灭，报警器停止发出故障警报。
所述模拟输入模块设置为获取倾角仪的数据，然后将倾角仪的数据传给逻辑控制模块，作为逻辑控制模块的变量来执行倾角逻辑保护方法；
所述倾角逻辑保护方法包括：所述倾角仪监测波荡器大梁的倾角，然后模拟输入模块获取倾角仪的读数，并送到逻辑控制模块，在逻辑控制模块中，监测波荡器大梁的倾角值不允许超过倾角最大值，一旦超过倾角最大值，说明发生故障，则运动控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报；直到监测波荡器大梁的倾角小于等于倾角最大值时，则运动控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机恢复运动的恢复命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置0，通过数字输出模块将信号值为0的逻辑控制模块的输出变量转化为表示关断的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯熄灭，报警器停止发出故障警报；
所述数字输入模块设置为把限位开关中的光电限位和机电限位的触发信号、和急停按钮的表示导通的开关量信号转化为数字输入信号，然后将数字输入信号传给PLC控制器的逻辑控制模块，作为逻辑控制模块的输入变量，以实现限位开关限位保护方法和急停按钮急停保护方法；
所述限位开关限位保护方法包括：在光电限位和机电限位被触发时，通过数字输入模块将光电限位和机电限位的触发信号转化为信号值为1的数字输入信号，并将信号值为1的数字输入信号发送给PLC控制器的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为1使得逻辑控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令；同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报；
所述急停按钮急停保护方法用于波荡器在运动过程中的紧急停止，包括：按下急停按钮以发出表示导通的开关量信号，通过数字输入模块将急停按钮的开关量信号转化为信号值为1的数字输入信号，并将数字输入信号发送给PLC控制器的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为1使得逻辑控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令。
另一方面，本发明提供一种冗余位置反馈的波荡器运动控制方法，包括：
S0：提供上文所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，将光栅尺作为第一位置反馈系统，伺服电机的电机编码器作为第二位置反馈系统；
步骤S1：PLC控制器使用光栅尺来监测波荡器大梁的位置值，以得到光栅尺读数；
步骤S2：采用电机编码器来监测波荡器大梁的位置值，以得到电机编码器读数；
步骤S3：判断是否存在至少一部分光栅尺发生故障；若光栅尺都没有发生故障，则将光栅尺读数分别赋给相应的中间变量；否则，说明至少一部分光栅尺发生故障，将电机编码器读数代替发生故障的光栅尺的光栅尺读数分别赋给相应的中间变量；
步骤S4：根据中间变量和电机编码器读数执行相应的大软限位保护方法、小软限位保护方法、中间变量比较保护方法、中间变量与电机编码器读数差值比较保护方法；
步骤S5：根据中间变量确定当前入口的GAP值，根据GAP设定值和当前入口的GAP值来确定传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C，作为目标值；
步骤S6：根据电机编码器实时反馈的运动位移量来调整伺服电机的运动，直到与该伺服电机相连的传动轴的总的运动位移量达到目标值；或者，实时地确定当前的传动轴需要运动的位移量，根据当前的传动轴需要运动的位移量来调整伺服电机的运动，直到当前的传动轴需要运动的位移量的绝对值小于一精度阈值。
在得到光栅尺读数之前，还包括：预先用高精度外部测量仪来测量波荡器的入口和出口的GAP间隙值，然后用入口和出口的GAP间隙值去标定尚未标定的光栅尺读数，分别得到相应的光栅尺偏置；
得到光栅尺读数，具体包括：根据光栅尺偏置和尚未标定的光栅尺读数来得到经过标定的光栅尺读数，作为最终的光栅尺读数；
在得到电机编码器读数之前，还包括：预先在波荡器运动到不同位置时，分别得到经过标定的光栅尺读数和尚未标定的电机编码器读数的差值，根据所述差值和尚未标定的电机编码器读数的对应关系拟合得到差值函数曲线，随后把函数曲线存入运动控制模块中，得到尚未标定的电机编码器读数所对应的电机编码器偏置；
得到电机编码器读数，具体包括：根据电机编码器偏置和尚未标定的电机编码器读数来得到经过标定的电机编码器读数，作为最终的电机编码器读数。
所述大软限位保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
(GVL.EnDn_Encoder-(MaxGap_Limit/2))≤Soft_limit_Value
(GVL.ExUp_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value
(GVL.EnDn_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value
(GVL.ExUp_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value，
其中，GVL.EnUp_Encoder是入口上位置中间变量，GVL.EnDn_Encoder是入口下位置中间变量，GVL.ExUp_Encoder是出口上位置中间变量，GVL.ExDn_Encoder是出口下位置中间变量，Soft_limit_Value是软限位限制值，MaxGap_Limit是最大GAP限制值；
小软限位保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
(MinGap_Limit/2-GVL.EnDn_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.ExUp_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.EnDn_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.ExUp_Encoder)≤Soft_limit_Value，
其中，MinGap_Limit是最小GAP限制值；
中间变量比较保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
|GVL.EnUp._Encoder-GVL.ExUp_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnDn._Encoder-GVL.ExDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnUp._Encoder-GVL.EnDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF，
其中，GVL.SET_DIFF是位置比较限制阈值；
中间变量与电机编码器读数差值比较保护方法在至少一个光栅尺无故障时执行，其包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
|GVL.EnUp_Encoder-GVL.EnUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.ExUp_Encoder-GVL.ExUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnDn_Encoder-GVL.EnDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.ExDn_Encoder-GVL.ExDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF。
本发明的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统采用双位置反馈的全闭环控制，具有响应速度快、高动态性能、控制精度高。因为使用光栅尺作为全闭环控制的位置反馈，直接监测反馈大梁的四个位置值(GVL.EnUp_Encoder、GVL.ExUp_Encoder、GVL.EnDn_Encoder、GVL.ExUp_Encoder)，计算得到的传动轴位移量GVL.MOVE_GAP_C作为伺服驱动器控制伺服电机运动的目标值，最后伺服电机根据电机编码器的位置反馈调整传动轴的位移量达到目标值。
此外，本发明采用的伺服电机内部的电机编码器可作为大梁冗余位置反馈保护。一般情况下波荡器优先使用光栅尺作为闭环控制的位置反馈直接监测反馈大梁的四个位置值，而四个伺服电机内部的电机编码器作为冗余位置反馈，间接监测反馈大梁的四个位置值，所以即使光栅尺出现故障时，电机编码器作为冗余位置反馈，可以防止电机继续转动，导致出现单梁倾角、单梁超差、单轴超差、GAP超差、Taper超差等问题。
本发明采用的伺服电机内部的电机编码器也可作为闭环控制位置反馈元件。当光栅尺出现故障时，在远程控制就可以操作电机编码器替换光栅尺，作为波荡器闭环运动控制的位置反馈，立即恢复波荡器运动控制的正常工作。
本发明采用的波荡器加入扭矩逻辑保护方法，当波荡器磁极大梁出现倾斜时，一端传动轴的扭矩就会增大，把驱动器实时读取的电机输出扭矩在控制逻辑程序中，不允许超过许可扭矩值，从而防止大梁变形破坏；同时还可以防止波荡器在最大GAP和最小GAP超差时与硬限位破坏性碰撞。
本发明远程操作，简单、安全、可靠，为同步辐射光源或自由电子激光装置的波荡器运动控制的运行维护提供了便利。
附图说明
图1A-图1D是典型的波荡器运动控制模式的原理图；
图2是现有的EUROPEAN XFEL和LCLS II的四轴波荡器本地运动控制系统的结构配置布局图；
图3是现有的北京高能物理研究所研制的波荡器研制CPMU波荡器运动控制系统的结构配置布局图；
图4是本发明的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统的结构配置布局图；
图5是如图4所示的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统的从站控制机箱的模块组成与连接关系图。
图6是如图4所示的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统的从站控制机箱的各模块的连接关系与数据流向图；
图7是本发明的冗余位置反馈的波荡器运动控制方法的工作原理图。
附图标记：
1、6、11、20-伺服电机，2、5、12、16-光栅，3-下大梁磁极，4-上磁极大梁，7、10、21、25-减速机，8、9、22、24-传动轴，13、15倾角仪，14-主站控制机柜，17-硬限位，18-机电限位，19-光电限位，23-从站控制机箱，26、27-伺服驱动器，28-PLC控制器，29-位置输入模块，30-模拟输入模块，31-数字输出模块，32-数字输入模块，33-急停按钮，34-报警器，35-指示灯。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例一一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统
如图4、图5、图6所示为根据本发明的一个实施例的一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，所述冗余位置反馈的波荡器运动控制系统用于波荡器，其包括：主站控制机柜14，从站控制机箱23，安装于波荡器上的4套光栅尺2、5、12、16、4套具有电机编码器的伺服电机1、6、11、20、和2套倾角仪13、15，限位开关17、18、19，急停按钮33，报警器34，指示灯35。
其中，主站控制机柜14安装在技术走廊，在本地模式时可用于发送控制命令给控制从站控制机箱23和读取从站控制机箱23的状态，在远程模式时主站控制机柜14设置为和中央控制室交互信息。
从站控制机箱23安装在隧道内的波荡器机架附近，通过控制伺服电机的输出扭矩，带动四个传动轴的运动，进而调节波荡器的上下磁极间隙(GAP)、上下磁极夹角(Taper)。
如图4所示，4套光栅尺2、5、12、16包括波荡器的入口上端的第一光栅尺5、入口下端的第二光栅尺2、出口上端的第三光栅尺12和出口下端的第四光栅尺16，其用于检测和读取波荡器的入口上位置值、入口下位置值、出口上位置和出口下位置值(即上磁极大梁入口、上磁极大梁出口、下磁极大梁入口及下磁极大梁出口在y轴方向上的位置)。
4套具有电机编码器的伺服电机1、6、11、20包括波荡器的入口上端的第一伺服电机6、入口下端的第二伺服电机1、出口上端的第三伺服电机13和出口下端的第四伺服电机20，并且通过传动轴与波荡器的上、下磁极大梁连接。伺服电机作为执行元件，其用于传递扭矩，进而带动上下磁极大梁的运动，同时其内部自带电机编码器，用于电机运动的位置反馈。
如图4所示，两套倾角仪13、15分别安装在波荡器的出口上端的附近及波荡器的出口下端的附近，设置为监测波荡器的上磁极大梁和下磁极大梁的倾角，以作为冗余位置保护系统，防止机械装置被损坏。
如图4所示，上磁极大梁入口上附近、上磁极大梁出口上附近、下磁极大梁入口下附近及下磁极大梁出口下附近都安装了光电限位19、机电限位18、和硬限位17，用于波荡器运动到最大间隙位置和最小间隙位置的三重限位保护。
如图5和图6所示，从站控制机箱23包括PLC控制器28、以及与所述PLC控制器28连接的伺服驱动器26、27、位置输入模块29、模拟输入模块30、数字输入模块32、和数字输出模块31。
其中，(1)PLC控制器28设置为输入设定GAP值、设定Taper值、向伺服驱动器26、27发出运动的位置、速度等的命令。PLC控制器28上设有运动控制模块和逻辑控制模块，运动控制模块设置为向伺服驱动器26、27发出运动的位置、速度的命令，以控制伺服电机的运动，逻辑控制模块设置为实现倾角逻辑保护方法、指示灯显示运动状态的方法、报警器故障报警方法、限位开关限位保护方法，急停按钮急停保护方法。
(2)伺服驱动器26、27的数量为2个，每个伺服驱动器与2套伺服电机相连并且通过NC控制器(Numerical Control，数字化控制器)与PLC控制器28的运动控制模块连接。伺服驱动器设置为响应于PLC控制器28的运动控制模块发送给伺服驱动器的位置、速度的命令以及电机编码器反馈给伺服驱动器的位置、速度、扭矩信号，控制伺服电机的位置、速度和力矩等运动参数，进而通过控制伺服电机的运动实现波荡器的运动；并将电机编码器反馈给伺服驱动器的位置、速度、扭矩信号发送给运动控制模块以作为运动控制模块的输入变量。
伺服驱动器还设置为对电机进行过载，短路，欠压保护，即，在电机发生过载，短路，欠压故障时，伺服驱动器设置为将相应的报错信息发送至PLC控制器28，使得PLC控制器28根据报错信息进行故障诊断，并使得PLC控制器28通过数字输出模块31将逻辑控制模块的输出变量转化为开关量并传递给指示灯35和报警器34。其中，在发生故障时，逻辑控制模块的输出变量的信号值为1(即为高电平)，对应的开关量为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报。反之，逻辑控制模块的输出变量的信号值为0(即为低电平)，对应的开关量为表示关断的开关量，表示关断的开关量使得指示灯35熄灭，报警器34停止发出故障警报。
(3)所述位置输入模块29与4套光栅尺2、5、12、16均相连，并且通过NC控制器与PLC控制器28的运动控制模块相连，其设置为获取光栅尺读数，然后将光栅尺读数通过NC控制器传递给PLC控制器28的运动控制模块，作为运动控制模块的输入变量，从而在之后能在处理后赋给相应的中间变量。
(4)所述模拟输入模块30与2套倾角仪13、15相连，并且与逻辑控制模块相连。所述模拟输入模块30设置为获取倾角仪的数据，然后将倾角仪的数据传给PLC控制器28的逻辑控制模块，作为逻辑控制模块的变量来执行倾角逻辑保护方法。由此，倾角仪13、15作为冗余位置保护系统，使得反馈到逻辑控制模块的波荡器大梁的倾角值不允许超过倾角最大值，防止机械装置被损坏。
具体来说，倾角逻辑保护方法包括：2套倾角仪13、15监测波荡器大梁的倾角，然后模拟输入模块30获取倾角仪13、15的读数，并送到逻辑控制模块，在逻辑控制模块中，监测波荡器大梁的倾角值不允许超过倾角最大值，一旦超过倾角最大值，说明发生故障，则PLC控制器28的运动控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块31将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯35和报警器34，使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报；直到监测波荡器大梁的倾角小于等于倾角最大值(即恢复到正常值)时，则PLC控制器28的运动控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机恢复运动的恢复命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值为0，通过数字输出模块31将信号值为0的逻辑控制模块的输出变量转化为表示关断的开关量并传递给指示灯35和报警器34，使得指示灯35熄灭，报警器34停止发出故障警报。此外，倾角逻辑保护方法还包括：在倾角仪13、15发生故障时，屏蔽倾角仪。
(5)所述数字输入模块32与光电限位19、机电限位18和急停按钮33均相连，并且与逻辑控制模块相连。所述数字输入模块32设置为把限位开关中的光电限位19和机电限位18的触发信号、和急停按钮33的表示导通的开关量信号转化为数字输入信号，然后将数字输入信号传给PLC控制器28，作为逻辑控制模块的输入变量，以实现限位开关限位保护方法和急停按钮急停保护方法。
限位开关限位保护方法包括：在光电限位和机电限位被触发时，通过数字输入模块32将光电限位19和机电限位18的触发信号转化为信号值为1的数字输入信号，并将信号值为1的数字输入信号发送给PLC控制器28的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为1使得PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令；同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块31将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯35和报警器34，使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报。
急停按钮急停保护方法用于波荡器在运动过程中的紧急停止，包括：按下急停按钮33以发出表示导通的开关量信号(即“24V”的开关量)，通过数字输入模块将急停按钮33的开关量信号转化为信号值为1的数字输入信号，并将数字输入信号发送给PLC控制器28的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为1使得PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令。
反之，光电限位19和机电限位18不发出触发信号且急停按钮33不发出表示导通的开关量信号，则数字输入模块32所提供的数字输入信号的值保持为0，并将信号值为0的数字输入信号发送给PLC控制器28的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为0使得PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机恢复运动的恢复命令。
由此，急停按钮33用于波荡器在运动过程中的紧急停止，急停按钮33在点击时通过运动控制系统使得波荡器停止运动。
(6)所述数字输出模块31与指示灯35和报警器34相连，并且与逻辑控制模块相连。所述数字输出模块31设置为将逻辑控制模块的输出变量(逻辑控制模块的输出变量通常包括“0”或“1”)转化为开关量，并传递给指示灯35和报警器34，以实现指示灯显示运动状态的方法和报警器故障报警方法。其中，所述的指示灯35安装在主站控制机柜14上，用于显示运动控制系统的运行状态、伺服电机的运动状态。所述的报警器34安装在主站控制机柜14上，用于传递运动控制系统的故障信息。在发生故障时，逻辑控制模块的输出变量的信号值为1(即为高电平)，对应的开关量为表示导通的开关量(即24V开关量)，表示导通的开关量使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报。由此，通过逻辑控制模块的输出变量实现了指示灯显示运动状态的方法和报警器故障报警方法。
如图7所示，基于上文所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，所实现的冗余位置反馈的波荡器运动控制方法具体包括如下步骤：
步骤S0：提供上文所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，将光栅尺2、5、12、16作为第一位置反馈系统，伺服电机1、6、11、20的电机编码器作为第二位置反馈系统；
由此，实现双位置反馈的全闭环控制。优先使用光栅尺组成的第一位置反馈系统作为全闭环控制的位置反馈系统，而当光栅尺出现故障时，可以使用电机编码器组成的第二位置反馈系统来代替第一位置反馈系统实现位置反馈。
此外，步骤S0还可以包括：对波荡器运动控制系统的变量名进行初始化。
其中，波荡器运动控制系统的变量名至少包括入口上位置中间变量GVL.EnUp_Encoder、入口下位置中间变量GVL.EnDn_Encoder、出口上位置中间变量GVL.ExUp_Encoder、出口下位置中间变量GVL.ExDn_Encoder。
在本实施例中，进行初始化的波荡器运动控制系统的所有变量名的含义如表1所示。
表1变量名的含义
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其中，电机编码器相比于旋转变压器更精确。电机编码器采用的是脉冲计数，输出的是方波，而旋转变压器就不是脉冲计数，而是模拟量反馈，输出正余弦方式；(2)旋转变压器一般用于电机的速度反馈控制，而电机编码器一般用于电机的位置和速度反馈控制。
步骤S1：PLC控制器28使用光栅尺2、5、12、16来监测波荡器大梁的位置值，以得到光栅尺读数；
在得到光栅尺读数之前，还包括：预先用高精度外部测量仪来测量波荡器的入口和出口的GAP间隙值，然后用入口和出口的GAP间隙值去标定尚未标定的光栅尺读数，分别得到相应的光栅尺偏置；得到光栅尺读数，具体包括：根据光栅尺偏置和尚未标定的光栅尺读数来得到经过标定的光栅尺读数，作为最终的光栅尺读数。由此，经过标定的光栅尺读数用于之后赋给相应的中间变量。
由此，能够得到上、下磁极大梁的入口和出口的GAP间隙值。
其中，尚未标定的光栅尺读数是通过PLC控制器采集的尚未标定的光栅尺读数(即NC轴光栅尺变量)，NC轴是NC控制器的虚拟化数字化轴，尚未标定的光栅尺读数作为运动控制模块的输入变量。尚未标定的光栅尺读数包括入口上NC轴光栅尺变量GVL.EnUp_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos、入口下NC轴光栅尺变量GVL.EnDn_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos、出口上NC轴光栅尺变量GVL.ExUp_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos、以及出口下NC轴光栅尺变量GVL.ExDn_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos；
经过标定的光栅尺读数包括入口上光栅尺读数
GVL.EnUp.SSI_Encoder、入口下光栅尺读数GVL.EnDn.SSI_Encoder、出口上光栅尺读数GVL.ExUp.SSI_Encoder、出口下光栅尺读数GVL.ExDn.SSI_Encoder；
光栅尺偏置包括入口上光栅尺偏置GVL.EnUp_Encoder_Offset、入口下光栅尺偏置GVL.EnDn_Encoder_Offset、出口上光栅尺偏置
GVL.ExUp_Encoder_Offset和出口下光栅尺偏置GVL.ExDn_Encoder_Offset。
具体地，所述的光栅尺读数如下所示：
GVL.EnUp.SSI_Encoder＝GVL.EnUp_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GV L.EnUp_Encoder_Offset；
GVL.EnDn.SSI_Encoder＝GVL.EnDn_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GV L.EnDn_Encoder_Offset；
GVL.ExUp.SSI_Encoder＝GVL.ExUp_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GV L.ExUp_Encoder_Offset；
GVL.ExDn.SSI_Encoder＝GVL.ExDn_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GV L.ExDn_Encoder_Offset；
其中，GVL.EnUp_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos是入口上NC轴光栅尺变量，GVL.EnDn_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos是入口下NC轴光栅尺变量，GVL.ExUp_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos是出口上NC轴光栅尺变量，GVL.ExDn_LAE.ST_Axis.NcToPlc.ActPos是出口下NC轴光栅尺变量；
GVL.EnUp_Encoder_Offset是入口上光栅尺偏置，GVL.EnDn_Encoder_Offset是入口下光栅尺偏置，GVL.ExUp_Encoder_Offset是出口上光栅尺偏置，GVL.ExDn_Encoder_Offset是出口下光栅尺偏置；GVL.EnUp.SSI_Encoder是入口上光栅尺读数，GVL.EnDn.SSI_Encoder是入口下光栅尺读数，GVL.ExUp.SSI_Encoder是出口上光栅尺读数，GVL.ExDn.SSI_Encoder是出口下光栅尺读数。
步骤S2：采用电机编码器来监测波荡器大梁的位置值，以得到电机编码器读数。
在得到电机编码器读数之前，还包括：预先在波荡器运动到不同位置时，分别比较得到经过标定的光栅尺读数和尚未标定的电机编码器读数的差值，根据所述差值和尚未标定的电机编码器读数的对应关系拟合得到差值函数曲线，随后把函数曲线存入运动控制模块中，得到尚未标定的电机编码器读数所对应的电机编码器偏置，以作为前馈校正。得到电机编码器读数，具体包括：根据电机编码器偏置和尚未标定的电机编码器读数来得到经过标定的电机编码器读数，作为最终的电机编码器读数。由此，经过标定的电机编码器读数通过跟踪电机轴的位置来提供闭环反馈信号，校正电机的运转，进而使磁极大梁运动到目标值，并且用于在之后赋给相应的中间变量。
其中，尚未标定的电机编码器读数包括入口上NC轴电机编码器变量GVL.EnUp.ST_Axis.NcToPlc.ActPos、入口下NC轴电机编码器变量GVL.EnDn.ST_Axis.NcToPlc.ActPos、出口上NC轴电机编码器变量GVL.ExUp.ST_Axis.NcToPlc.ActPos、和出口下NC轴电机编码器变量GVL.ExDn.ST_Axis.NcToPlc.ActPos。电机编码器偏置包括入口上电机编码器偏置GVL.EnUp_Rotary_Encoder_Offset、入口下电机编码器偏置
GVL.EnDn.Rotary_Encoder_Offset、出口上电机编码器偏置
GVL.ExUp.Rotary_Encoder_Offset和出口下电机编码器偏置
GVL.ExDn.Rotary_Encoder_Offset。经过标定的电机编码器读数包括入口上电机编码器读数GVL.EnUp.Rotary_Encoder、入口下电机编码器读数
GVL.EnDn.Rotary_Encoder、出口上电机编码器读数GVL.ExUp.Rotary_Encoder和出口下电机编码器读数GVL.ExDn.Rotary_Encoder。
具体地，所述的电机编码器读数如下所示：
GVL.EnUp.Rotary_Encoder＝GVL.EnUp.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GVL.EnUp_Rotary_Encoder_Offset；
GVL.EnDn.Rotary_Encoder＝GVL.EnDn.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GVL.EnDn.Rotary_Encoder_Offset；
GVL.ExUp.Rotary_Encoder＝GVL.ExUp.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GVL.ExUp.Rotary_Encoder_Offset；
GVL.ExDn.Rotary_Encoder＝GVL.ExDn.ST_Axis.NcToPlc.ActPos+GVL.ExDn.Rotary_Encoder_Offset。
步骤S3：判断是否存在至少一部分光栅尺发生故障；若光栅尺2、5、12、16都没有发生故障，则将光栅尺读数分别赋给相应的中间变量；否则，说明至少一部分光栅尺发生故障，将电机编码器读数代替发生故障的光栅尺的光栅尺读数分别赋给相应的中间变量。
其中，中间变量包括入口上位置中间变量GVL.EnUp_Encoder、入口下位置中间变量GVL.EnDn_Encoder、出口上位置中间变量GVL.ExUp_Encoder、出口下位置中间变量GVL.ExDn_Encoder。入口上位置中间变量GVL.EnUp_Encoder、入口下位置中间变量GVL.EnDn_Encoder、出口上位置中间变量
GVL.ExUp_Encoder、出口下位置中间变量GVL.ExDn_Encoder分别表示波荡器的入口上位置值、入口下位置值、出口上位置和出口下位置值。在本实施例中，中间变量均是经过标定的测量结果，因此大小与测量方式无关。
步骤S4：根据中间变量和电机编码器读数执行相应的大软限位保护方法、小软限位保护方法、中间变量比较保护方法、中间变量与电机编码器读数差值比较保护方法。
其中，大软限位保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器28使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器28向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块31将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报：
(GVL.EnDn_Encoder-(MaxGap_Limit/2))≤Soft_limit_Value
(GVL.ExUp_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value
(GVL.EnDn_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value
(GVL.ExUp_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value，
其中，GVL.EnUp_Encoder是入口上位置中间变量，GVL.EnDn_Encoder是入口下位置中间变量，GVL.ExUp_Encoder是出口上位置中间变量，GVL.ExDn_Encoder是出口下位置中间变量，Soft_limit_Value是软限位限制值，MaxGap_Limit是最大GAP限制值。
由此，大软限位不是硬件结构，是运动控制模块软件限位保护，在运动调节GAP运动过程中，如果运动控制模块的波荡器存在入口上、出口上、入口下、出口下的中间变量(即位置值)超过最大GAP限制值的1/2(即MaxGap_Limit/2)一个软限位限制值，运动控制软件逻辑要求向伺服电机停止运动，从而实现大软限位保护。反之，若均没有超出最大GAP限制值的1/2，就继续正常工作。
小软限位保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器28使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器28向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块31将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报：
(MinGap_Limit/2-GVL.EnDn_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.ExUp_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.EnDn_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.ExUp_Encoder)≤Soft_limit_Value，
其中，GVL.EnUp_Encoder是入口上位置中间变量，GVL.EnDn_Encoder是入口下位置中间变量，GVL.ExUp_Encoder是出口上位置中间变量，GVL.ExDn_Encoder是出口下位置中间变量，Soft_limit_Value是软限位限制值，MinGap_Limit是最小GAP限制值。
由此，小软限位不是硬件结构，是运动控制模块的软件限位保护，在运动调节GAP运动过程中，如果运动控制软件中的上下大梁入口上、出口上、入口下、出口下的位置值小于最小GAP限制值的1/2(即MinGap_Limit/2)一个软限位限制值，则运动控制模块要求向伺服电机停止运动，从而实现小软限位保护。
中间变量比较保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器28使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器28向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块31将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报：
|GVL.EnUp._Encoder-GVL.ExUp_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnDn._Encoder-GVL.ExDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnUp._Encoder-GVL.EnDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
其中，GVL.EnUp_Encoder是入口上位置中间变量，GVL.EnDn_Encoder是入口下位置中间变量，GVL.ExUp_Encoder是出口上位置中间变量，GVL.ExDn_Encoder是出口下位置中间变量，GVL.SET_DIFF是位置比较限制阈值。
此处，其中|GVL.EnUp._Encoder-GVL.ExUp_Encoder|≤GVL.SET_DIFF表示光栅尺监测大梁入口上与出口上的位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF，即光栅尺监测上磁极大梁的两端位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF；
|GVL.EnDn._Encoder-GVL.ExDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF表示光栅尺监测大梁入口下与出口下的位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF，即光栅尺监测下磁极大梁的两端位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF；|GVL.EnUp._Encoder-GVL.EnDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF表示光栅尺监测大梁入口上与入口下的位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF，如果上述的这些公式不满足了，那么本发明的系统相应会执行伺服电机停止操作。
中间变量与电机编码器读数差值比较保护方法在至少一个光栅尺无故障时执行，其包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器28使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器28向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块31将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报：
|GVL.EnUp_Encoder-GVL.EnUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.ExUp_Encoder-GVL.ExUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnDn_Encoder-GVL.EnDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.ExDn_Encoder-GVL.ExDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
GVL.SET_DIFF代表位置比较限制阈值，其中
|GVL.EnUp_Encoder-GVL.EnUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF表示入口上中间变量与电机编码器监测入口上的位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF；|GVL.ExUp_Encoder-GVL.ExUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFFF表示出口上中间变量与电机编码器监测出口上的位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF；
|GVL.EnDn_Encoder-GVL.EnDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF表示入口下中间变量与电机编码器监测入口下的位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF，|GVL.ExDn_Encoder-GVL.ExDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF表示出口下中间变量与电机编码器监测出口下的位置值差值的绝对值小于等于位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF；如果上述的这些公式不满足了，那么本发明的系统相应会执行伺服电机停止操作。
步骤S5：根据中间变量确定当前入口的GAP值，根据GAP设定值和当前入口的GAP值来确定传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C，作为目标值；
这是由于四轴同步运动时，出口的GAP值也是参照入口的GAP值调节，因此可以根据当前入口的GAP值来确定传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C。
其中，传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C为：
GVL.MOVE_GAP_C＝
(GVL.COMMAND_GAP-GVL.CURRENT_EnGAP)/2
其中，GVL.COMMAND_GAP为GAP设定值，GVL.CURRENT_EnGAP为当前入口的GAP值，GVL.MOVE_GAP_C为传动轴需要运动的位移量。
其中，当前入口的GAP值GVL.CURRENT_EnGAP为：
GVL.CURRENT_EnGAP＝GVL.EnUp._Encoder+GVL.EnDn._Encoder；
当前出口的GAP值GVL.CURRENT_ExGAP为：
GVL.CURRENT_ExGAP＝GVL.ExUp._Encoder+GVL.ExDn._Encoder；
其中，GVL.EnUp_Encoder是入口上位置中间变量，GVL.EnDn_Encoder是入口下位置中间变量，GVL.ExUp_Encoder是出口上位置中间变量，GVL.ExDn_Encoder是出口下位置中间变量。
步骤S6：根据电机编码器实时反馈的运动位移量来调整伺服电机的运动，直到与该伺服电机相连的传动轴的总的运动位移量达到目标值；或者，实时地确定当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C，根据当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C来调整伺服电机的运动，直到当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C的绝对值小于一精度阈值。
即，GVL.MOVE_GAP_C满足以下条件：
|(GVL.MOVE_GAP_C|<＝Accuracy，Accuracy为精度阈值。
此时，实现了波荡器入口的GAP值和出口的GAP值的调节。
在根据电机编码器实时反馈的运动位移量来调整伺服电机的运动，直到与该伺服电机相连的传动轴的总的运动位移量达到目标值的整个过程中，伺服驱动器和电机编码器构成闭环控制，伺服电机根据电机编码器的位置反馈不断的调整伺服驱动器的运动进而调整传动轴的运动，直到传动轴的实际运动位移量达到目标值GVL.MOVE_GAP_C。
在根据当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C来调整伺服电机的运动，直到当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C的绝对值小于一精度阈值的过程中，运动控制模块计算传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C，再把传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C送到NC控制器，然后通过NC控制器的NC轴传递给伺服驱动器，最后伺服驱动器驱动伺服电机运转，以调节波荡器的上、下大梁磁极间隙，从而通过伺服电机的运动调整来影响到当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C。
优选地，在步骤S6中，若光栅尺发生故障，则根据该光栅尺对应的电机编码器实时反馈的运动位移量来调整伺服电机的运动，直到与该伺服电机相连的传动轴的总的运动位移量达到目标值；若光栅尺没有发生故障，则实时地确定当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C，根据当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C来调整伺服电机的运动，直到当前的传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C的绝对值小于一精度阈值。
传动轴位移量指的是竖直方向上的位移量。如图4所示，上磁极大梁有传动轴8和传动轴9，下磁极大梁有传动轴22和传动轴24。光栅尺5用于反馈监测传动轴8的位移(也指大梁入口上的位置)，光栅尺12用于反馈监测传动轴9的位移(也指大梁出口上的位置)，光栅尺2用于反馈监测传动轴24的位移(也指大梁入口下的位置)，光栅尺16用于反馈监测传动轴22的位移(也指大梁出口下的位置)。
此外，还可以包括步骤S7：利用逻辑控制模块持续地执行倾角逻辑保护方法和限位开关限位保护方法，以实现冗余位置保护。
倾角逻辑保护方法包括：2套倾角仪13、15监测波荡器大梁的倾角，然后模拟输入模块30获取倾角仪13、15的读数，并送到逻辑控制模块，在逻辑控制模块中，监测波荡器大梁的倾角值不允许超过倾角最大值，一旦超过倾角最大值，说明发生故障，则PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值为1，通过数字输出模块31将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯35和报警器34，使得指示灯35显示红色，报警器34发出故障警报；直到监测波荡器大梁的倾角小于等于倾角最大值(即恢复到正常值)时，则PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机恢复运动的恢复命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值为0，通过数字输出模块31将信号值为0的逻辑控制模块的输出变量转化为表示关断的开关量并传递给指示灯35和报警器34，使得指示灯35熄灭，报警器34停止发出故障警报。此外，倾角逻辑保护方法还包括：在倾角仪13、15发生故障时，屏蔽倾角仪。
限位开关限位保护方法包括：在光电限位19和机电限位18被触发时，通过数字输入模块32将光电限位19和机电限位18的触发信号转化为信号值为1的数字输入信号，并将信号值为1的数字输入信号发送给PLC控制器28的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为1使得PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令。
在另外的实施例中，使得PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令之后，还包括：最大GAP位置的光电限位19或机电限位18被触发后，PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机不允许向GAP值增大方向运动但允许向GAP值减小方向运动的第一单向限位指令；最小GAP位置的光电限位19或机电限位18被触发后，PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机不允许向GAP值减小方向运动但允许向GAP值增大方向运动的第二单向限位指令。
而如果硬限位17被触碰，电机扭矩增大，扭矩值通过伺服驱动器送到PLC控制器的逻辑控制模块，在超过最大扭矩许可值时使得PLC控制器28向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令，从而完成扭矩逻辑保护方法。具体来说，在调节波荡器的运动过程中，伺服驱动器可以读取伺服电机的扭矩值，然后伺服驱动器再把伺服电机的扭矩值发送到PLC控制器28的逻辑控制模块，以和逻辑控制模块中的最大扭矩许可值比较，一旦超过最大GAP且磁极大梁碰到最大GAP处的硬限位17，伺服电机的扭矩突然增大，如果超过最大扭矩许可值，伺服电机就会停止运动，实现扭矩逻辑保护方法，防止磁极大梁碰撞变形；同理：在运动调节GAP运动过程中，一旦超过最小GAP且磁极大梁碰到最小GAP处的硬限位17，伺服电机的扭矩突然增大，如果超过最大扭矩许可值，伺服电机就会停止运动，完成扭矩逻辑保护方法，防止磁极大梁碰撞变形；此外在运动调节GAP运动过程中，如果磁极大梁出现大倾角，伺服电机的扭矩值也会突然增大，超过最大扭矩许可值，伺服电机就会停止运动，完成扭矩逻辑保护方法，防止磁极大梁变形。
此外，结合图1A-图1D和图4描述本发明实施例的一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统的四种运动控制模式具体操作如下：
(1)间距(Gap)模式
如图4所示，通过控制伺服电机1、6、11、20运动，把扭矩传递给传动轴8、9、22、24，实现下大梁磁极3，上磁极大梁4，进而实现间距GAP增大或减小。
(2)中心(Center)模式
如图4所示，当地基出现微量下沉时，可以通过控制传动轴8、9带动上磁极大梁4运动和控制传动机构22、24带动下磁极大梁3同时向上运动，进而实现整个GAP的中心向上移动。
(3)锥角(Taper)模式
如图4所示，以图中的入口为准，Taper的计算如下：
Taper＝(GVL.ExUp_Encoder+GVL.ExUp_Encoder)-
(GVL.EnUp_Encoder+GVL.EnDn_Encoder)
入口两个位置值保持不变，通过控制出口上下两个伺服电机11、20的运动实现Taper的增大或减小，即入口大小不动，改变出口大小。已经处于最大Gap时不能输入正向Taper来进一步增加Taper，最小Gap不能输入负Taper来进一步减小Taper。
(4)维护模式
如图4所示，如果四个伺服电机的同步运动出现故障，下大梁磁极3和上磁极大梁4的四个位置值就会出现超差(即下大梁磁极3和上磁极大梁4的四个位置值的两两差值超过位置比较限制阈值GVL.SET_DIFF)就要使用维护模式控制电机单个电机的运动，就可以实现微调下大梁磁极3和上磁极大梁4。
虽然上述描述了本发明的具体实施方式，但是并不是限定本发明的范围，仅是举例说明，在不背离本发明的实质前提下，可以对这些实施方式做出其他变化，因此本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (11)
1.一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，包括：
4套光栅尺，其分别安装于波荡器的入口上端、入口下端、出口上端和出口下端；
4套伺服电机，其分别安装于波荡器的入口上端、入口下端、出口上端和出口下端并且具有电机编码器，并通过传动轴与波荡器连接；
2套倾角仪，其分别安装在波荡器的出口上端的附近及波荡器的出口下端的附近；
光电限位、机电限位、硬限位、急停按钮、报警器、和指示灯；以及
从站控制机箱，其包括PLC控制器、以及与所述PLC控制器连接的伺服驱动器、位置输入模块、模拟输入模块、数字输入模块、和数字输出模块；其中，PLC控制器上设有运动控制模块和逻辑控制模块；所述伺服驱动器与所述伺服电机相连并且通过NC控制器与所述运动控制模块连接；所述位置输入模块与4套光栅尺均相连，并且通过NC控制器与所述运动控制模块相连；所述模拟输入模块与2套倾角仪相连，并且与所述逻辑控制模块相连；所述数字输入模块与光电限位、机电限位和急停按钮均相连，并且与逻辑控制模块相连；所述数字输出模块与指示灯和报警器均相连，并且与逻辑控制模块相连。
2.根据权利要求1所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，所述光电限位、机电限位、硬限位均安装在上磁极大梁入口上附近、上磁极大梁出口上附近、下磁极大梁入口下附近及下磁极大梁出口下附近，用于波荡器运动到最大间隙位置和最小间隙位置的三重限位保护。
3.根据权利要求1所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，还包括主站控制机柜，所述主站控制机柜安装在技术走廊，在本地模式时可用于发送控制命令给控制从站控制机箱和读取从站控制机箱的状态，在远程模式时主站控制机柜设置为和中央控制室交互信息。
4.根据权利要求1所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，所述运动控制模块设置为向伺服驱动器发出运动的位置、速度的命令，以控制伺服电机的运动，逻辑控制模块设置为实现倾角逻辑保护方法、指示灯显示运动状态的方法、报警器故障报警方法、限位开关限位保护方法，急停按钮急停保护方法。
5.根据权利要求4所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，所述伺服驱动器的数量为2个，每个伺服驱动器与2套伺服电机相连；所述伺服驱动器设置为响应于运动控制模块发送给伺服驱动器的位置、速度的命令以及电机编码器反馈给伺服驱动器的位置、速度、扭矩信号，控制伺服电机的位置、速度和力矩，并将电机编码器反馈给伺服驱动器的位置、速度、扭矩信号发送给运动控制模块以作为运动控制模块的输入变量。
6.根据权利要求4所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，所述位置输入模块设置为获取光栅尺读数，然后将光栅尺读数通过NC控制器传递给运动控制模块，作为运动控制模块的输入变量。
7.根据权利要求4所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，所述数字输出模块设置为将逻辑控制模块的输出变量转化为开关量，并传递给指示灯和报警器，以实现指示灯显示运动状态的方法和报警器故障报警方法；
指示灯显示运动状态的方法和报警器故障报警方法包括：在发生故障时，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报；否则，逻辑控制模块的输出变量的信号值置0，通过数字输出模块将信号值为0的逻辑控制模块的输出变量转化为表示关断的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯熄灭，报警器停止发出故障警报。
8.根据权利要求7所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，其特征在于，所述模拟输入模块设置为获取倾角仪的数据，然后将倾角仪的数据传给逻辑控制模块，作为逻辑控制模块的变量来执行倾角逻辑保护方法；
所述倾角逻辑保护方法包括：所述倾角仪监测波荡器大梁的倾角，然后模拟输入模块获取倾角仪的读数，并送到逻辑控制模块，在逻辑控制模块中，监测波荡器大梁的倾角值不允许超过倾角最大值，一旦超过倾角最大值，说明发生故障，则运动控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报；直到监测波荡器大梁的倾角小于等于倾角最大值时，则运动控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机恢复运动的恢复命令，同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置0，通过数字输出模块将信号值为0的逻辑控制模块的输出变量转化为表示关断的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯熄灭，报警器停止发出故障警报；
所述数字输入模块设置为把限位开关中的光电限位和机电限位的触发信号、和急停按钮的表示导通的开关量信号转化为数字输入信号，然后将数字输入信号传给PLC控制器的逻辑控制模块，作为逻辑控制模块的输入变量，以实现限位开关限位保护方法和急停按钮急停保护方法；
所述限位开关限位保护方法包括：在光电限位和机电限位被触发时，通过数字输入模块将光电限位和机电限位的触发信号转化为信号值为1的数字输入信号，并将信号值为1的数字输入信号发送给PLC控制器的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为1使得逻辑控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令；同时逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，通过数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量并传递给指示灯和报警器，使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报；
所述急停按钮急停保护方法用于波荡器在运动过程中的紧急停止，包括：按下急停按钮以发出表示导通的开关量信号，通过数字输入模块将急停按钮的开关量信号转化为信号值为1的数字输入信号，并将数字输入信号发送给PLC控制器的逻辑控制模块以作为逻辑控制模块的输入变量，逻辑控制模块的输入变量为1使得逻辑控制模块向伺服驱动器发送使伺服电机停止运动的停止命令。
9.一种冗余位置反馈的波荡器运动控制方法，其特征在于，包括：
步骤S0：提供根据权利要求1-8之一所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制系统，将光栅尺作为第一位置反馈系统，伺服电机的电机编码器作为第二位置反馈系统；
步骤S1：PLC控制器使用光栅尺来监测波荡器大梁的位置值，以得到光栅尺读数；
步骤S2：采用电机编码器来监测波荡器大梁的位置值，以得到电机编码器读数；
步骤S3：判断是否存在至少一部分光栅尺发生故障；若光栅尺都没有发生故障，则将光栅尺读数分别赋给相应的中间变量；否则，说明至少一部分光栅尺发生故障，将电机编码器读数代替发生故障的光栅尺的光栅尺读数分别赋给相应的中间变量；
步骤S4：根据中间变量和电机编码器读数执行相应的大软限位保护方法、小软限位保护方法、中间变量比较保护方法、中间变量与电机编码器读数差值比较保护方法；
步骤S5：根据中间变量确定当前入口的GAP值，根据GAP设定值和当前入口的GAP值来确定传动轴需要运动的位移量GVL.MOVE_GAP_C，作为目标值；
步骤S6：根据电机编码器实时反馈的运动位移量来调整伺服电机的运动，直到与该伺服电机相连的传动轴的总的运动位移量达到目标值；或者，实时地确定当前的传动轴需要运动的位移量，根据当前的传动轴需要运动的位移量来调整伺服电机的运动，直到当前的传动轴需要运动的位移量的绝对值小于一精度阈值。
10.根据权利要求9所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制方法，其特征在于，在得到光栅尺读数之前，还包括：预先用高精度外部测量仪来测量波荡器的入口和出口的GAP间隙值，然后用入口和出口的GAP间隙值去标定尚未标定的光栅尺读数，分别得到相应的光栅尺偏置；
得到光栅尺读数，具体包括：根据光栅尺偏置和尚未标定的光栅尺读数来得到经过标定的光栅尺读数，作为最终的光栅尺读数；
在得到电机编码器读数之前，还包括：预先在波荡器运动到不同位置时，分别得到经过标定的光栅尺读数和尚未标定的电机编码器读数的差值，根据所述差值和尚未标定的电机编码器读数的对应关系拟合得到差值函数曲线，随后把函数曲线存入运动控制模块中，得到尚未标定的电机编码器读数所对应的电机编码器偏置；
得到电机编码器读数，具体包括：根据电机编码器偏置和尚未标定的电机编码器读数来得到经过标定的电机编码器读数，作为最终的电机编码器读数。
11.根据权利要求9所述的冗余位置反馈的波荡器运动控制方法，其特征在于，所述大软限位保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
(GVL.EnDn_Encoder-(MaxGap_Limit/2))≤Soft_limit_Value
(GVL.ExUp_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value
(GVL.EnDn_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value
(GVL.ExUp_Encoder-MaxGap_Limit/2)≤Soft_limit_Value，
其中，GVL.EnUp_Encoder是入口上位置中间变量，GVL.EnDn_Encoder是入口下位置中间变量，GVL.ExUp_Encoder是出口上位置中间变量，GVL.ExDn_Encoder是出口下位置中间变量，Soft_limit_Value是软限位限制值，MaxGap_Limit是最大GAP限制值；
小软限位保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
(MinGap_Limit/2-GVL.EnDn_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.ExUp_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.EnDn_Encoder)≤Soft_limit_Value
(MinGap_Limit/2-GVL.ExUp_Encoder)≤Soft_limit_Value，
其中，MinGap_Limit是最小GAP限制值；
中间变量比较保护方法包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
|GVL.EnUp._Encoder-GVL.ExUp_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnDn._Encoder-GVL.ExDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnUp._Encoder-GVL.EnDn_Encoder|≤GVL.SET_DIFF，
其中，GVL.SET_DIFF是位置比较限制阈值；
中间变量与电机编码器读数差值比较保护方法在至少一个光栅尺无故障时执行，其包括：判断以下公式是否同时成立，若成立，则PLC控制器使伺服驱动器正常工作，否则，说明发生故障，PLC控制器向伺服驱动器发送使相应的伺服电机停止运动的停止命令，逻辑控制模块的输出变量的信号值置1，利用数字输出模块将信号值为1的逻辑控制模块的输出变量转化为表示导通的开关量，表示导通的开关量使得指示灯显示红色，报警器发出故障警报：
|GVL.EnUp_Encoder-GVL.EnUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.ExUp_Encoder-GVL.ExUp.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.EnDn_Encoder-GVL.EnDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF
|GVL.ExDn_Encoder-GVL.ExDn.Rotary_Encoder|≤GVL.SET_DIFF。
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| CN202310704741.7A CN116893694A (zh) | 2023-06-14 | 2023-06-14 | 一种冗余位置反馈的波荡器运动控制系统及方法 |
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