CN203326934U - 一种双电机同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双电机同步控制系统，属于电机同步控制技术领域。它包括上位机、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第一电机、第二电机、第一负载、第二负载、第一位置传感器和第二位置传感器，上位机的输出端分别与第一电机驱动器、第二电机驱动器连接，第一电机驱动器、第一电机、第一负载、第一位置传感器依次连接，第二电机驱动器、第二电机、第二负载、第二位置传感器依次连接；它还包括位置反馈修正补偿模块，位置反馈修正补偿模块的输入端接第一位置传感器和第二位置传感器，输出端接上位机的输入端。它可以实现双电机同步控制的低成本、高精度及易调试。

Description

一种双电机同步控制系统

技术领域

本实用新型属于电机同步控制领域，更具体地说，涉及一种用于提高双电机控制同步精度的系统。

背景技术

在双电机同步控制中，为提高同步控制精度，采用的方法主要有两种：

①采用一台电机代替两台电机驱动，通过传动长轴驱动两侧运动装置运行，具体应用可参见文献《大跨度的扫描架设计与加工工艺》（机械工程师2010年第2期起重运输机械2010(2)P128～P130，作者：江门市化工仪表厂刘剑）；

②采用先进的复杂的控制算法，实现对双电机驱动的同步控制，如文献《基于广义预测的双电机同步控制》（机电工程2010(3)P107～P110，作者：浙江大学现代制造工程研究所盛华等）；文献《基于PFC算法的双电机同步运动控制研究》（《工业控制计算机2011(8)P52～P54，作者：重庆通信学院王敬志等）；

③通过改善各运动轴位置环的性能，减小各轴的跟踪误差，从而提高系统的同步精度。如文献《双电机驱动升降机构运动实时同步控制技术》（控制与检测2009(9)P60～P63，作者：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所王亚军等）；

这三种定位方法中，方法①的特点是同步精度高，是一种有轴传动控制方法，由于其结构设计复杂，成本高，目前这种方法已很少使用；方法②的特点是同步精度根据实际需求进行调试，调试过程复杂，对调试技术人员的要求高，有很多先进控制方法目前暂处于理论研究阶段；方法③是一种常规的同步控制方法，提高同步控制精度和多方面因素相关，由于是通过提高单轴控制精度来提高双电机同步控制精度，因而受外界因素（如负载变化、控制元件的变化等）影响较大，一般用于精度要求不高的场合。

综上所述，现有技术中缺少一种同时兼具成本低廉、同步精度高且调试过程简单实用的双电机同步控制系统。

中国专利申请号：201010614226，申请日：2010.12.30，专利名称为：硅片传输机械手双电机同步控制装置及其方法，该发明的不足之处在于，该方法利用电机编码器输出作为位置反馈求出位置差和速度差进行交叉耦合算法计算，同时结合两电机位置控制，进行同步控制，需要整定的控制参数较多，整定过程复杂；该交叉耦合控制利用电机编码器的反馈，因此，必须将其并线输出，仅能适应部分编码器接口协议，同时，如在已有的双电机同步控制系统进行交叉耦合控制改造，以提高同步精度，则现有硬件系统改动量大，操作麻烦。

发明内容

1、本发明要解决的问题

针对现有技术中存在的双电机同步控制装置和方法难以同时兼具成本低、精度高且工程中易实现的问题，本实用新型提供了一种双电机同步控制系统，它可以实现双电机同步控制的低成本、高精度及易调试。

2、技术方案

本实用新型的基本原理是：本发明基于交叉耦合控制算法，实时采集双电机驱动位置差，通过一定的控制算法，对双电机的运行速度进行补偿，从而实现双电机精确位置同步。同时，本发明将交叉耦合控制的速度补偿简化为对负载位置轴的位置反馈进行补偿修正，从而将交叉耦合控制独立出双电机同步控制系统，并将控制参数简化为单参数整定，简化了调试过程。

以上目的通过以下技术方案实现：

一种双电机同步控制系统，它包括上位机、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第一电机、第二电机、第一负载、第二负载、第一位置传感器和第二位置传感器，所述的上位机的输出端分别与第一电机驱动器、第二电机驱动器连接，所述的第一电机驱动器、第一电机、第一负载、第一位置传感器依次连接，所述的第二电机驱动器、第二电机、第二负载、第二位置传感器依次连接；所述的上位机产生运动控制的轨迹，第一电机驱动器、第二电机驱动器控制第一电机、第二电机运行，并带动第一、第二负载，负载沿上位机产生的轨迹运行。它还包括位置反馈修正补偿模块，所述的位置反馈修正补偿模块的输入端接所述的第一位置传感器和第二位置传感器，输出端接所述的上位机的输入端。

进一步地，所述的位置反馈修正补偿模块包括第一编码器输入接口、第二编码器输入接口、第一编码器输出接口、第二编码器输出接口和运算单元，所述第一编码器输入接口、第二编码器输入接口、第一编码器输出接口、第二编码器输出接口分别与所述的运算单元连接；

其中，所述的第一编码器输入接口和所述的第一位置传感器连接，所述的第二编码器输入接口和所述的第二位置传感器连接，所述的第一编码器输出接口、第二编码器输出接口分别接入所述上位机的输入端。位置反馈修正补偿模块依据第一位置传感器、第二位置传感器检测的位置差通过控制算法对第一位置传感器、第二位置传感器的检测值进行修正补偿，并将信号传送给上位机。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的优点在于：

（1）本实用新型的系统在现有技术的双电机同步控制系统中增加一个外置的位置反馈修正补偿模块，并利用原系统的位置反馈接口，不需更改原系统的硬件组成及接口，因而在工程中易实现；

（2）本实用新型的系统通过对双电机的实时位置差进行闭环控制，因而同步精度高；本实用新型的系统采用简化控制参数，使双电机同步控制的参数整定过程简单有效；

（4）比较图4和图7可以看出，增加位置反馈修正补偿模块后，用位置反馈修正补偿模块的输出分别代替第一位置传感器、第二位置传感器的输出，第一位置位置传感器、第二位置传感器的输出作为位置反馈修正补偿模块的输入，位置反馈修正补偿模块的第一编码器输入接口、第二编码器输入接口的接口特性设计与第一位置传感器、第二位置传感器接口相同，第二编码器输入接口、第一编码器输出接口的接口特性设计与第一位置传感器、第二位置传感器的输出特性相同，原常规双电机同步控制系统硬件设计无需作任何改变，即可简便地实现对已有的双电机同步控制系统的升级改造，提高其控制精度；位置反馈修正补偿模块的输出数据是第一位置传感器、第二位置传感器的测量值上叠加了速度补偿信息，因此上位机的控制软件也不需作任何改变，从而有效地实现双电机同步控制的低成本、高精度及易调试。

附图说明

图1为现有的双电机同步控制系统组成示意图；

图2为本实用新型的双电机同步控制系统组成示意图；

图3为本实用新型的位置反馈修正补偿模块的结构示意图；

图4为现有的双电机同步控制系统传递函数；

图5为本实用新型的增加位置反馈修正补偿模块的双电机同步控制系统传递函数；

图6为本实用新型的相加点前移后交叉耦合控制的双电机同步控制系统传递函数；

图7为本实用新型的化简后交叉耦合控制的双电机同步控制系统传递函数。

图中：1、上位机；2、第一电机驱动器；3、第二电机驱动器；4、第一电机；5、第二电机；6、第一负载；7、第二负载；8、第一位置传感器；9、第二位置传感器；10、位置反馈修正补偿模块；11、第一编码器输入接口；12、第二编码器输入接口；13、第一编码器输出接口；14、第二编码器输出接口；15、运算单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例进一步介绍本实用新型的技术方案。

实施例1

附图1是一种常规双电机同步控制系统组成，它包括上位机1（上位机可选用如PLC、工业控制计算机或DSP等控制器均可以实现，本实例选用PLC作为上位机1）、第一电机驱动器2、第二电机驱动器3、第一电机4、第二电机5、第一负载6、第二负载7、第一位置传感器8、第二位置传感器9，上位机1产生运动控制的轨迹，第一电机驱动器2、第二电机驱动器3控制第一电机4、第二电机5运行，并带动第一负载6、第二负载7沿上位机1产生的轨迹运行，它们之间的连接为常规连接，在此不再赘述。

第一位置传感器8的输出数据形式是标准SSI接口（SSI是同步串行编码器接口，用于传输绝对值编码器位置值到上位机1），上位机1发送一串时钟脉冲信号，第一、二位置传感器送出相应位置数据，在本实用新型中，已公开的位置传感器接口协议均可以实现，如CANOPEN接口等。

本实例的系统组成结构如图2所示，是在现有技术的图1电路结构的基础上增加了位置反馈修正补偿模块10（结构如图3），位置反馈修正补偿模块10由第一编码器输入接口11、第二编码器输入接口12、第一编码器输出接口13、第二编码器输出接口14和运算单元15组成。

位置反馈修正补偿模块10连接如下：在常规双电机同步控制系统（如图1）中，首先断开图1中的上位机1和第一位置传感器8、上位机1和第二位置传感器9之间的连接，将第一位置传感器8连接到第一编码器输入接口11，第二位置传感器9连接到第二编码器输入接口12，第一编码器输出接口13、第二编码器输出接口14分别和图1中的第一位置传感器8、第二位置传感器9与上位机1接入点端口连接，即将第一位置传感器8、第二位置传感器9的信号接到位置反馈修正补偿模块10，用位置反馈修正补偿模块10的第一编码器输出接口13、第二编码器输出接口14代替第一位置传感器8、第二位置传感器9的信号送给上位机1。

位置反馈修正补偿模块10硬件设计采用DSP（信号处理器）和差分接口芯片等组成，均为常规控制设计，具体可参照ZL201020262666.1及文献“编码器用SSI协议及实现”（夏旭中，2010年4月第29卷第2期，洛阳师范学院学报）。

控制原理如下。

图4为常规双电机同步控制系统的传递函数，其中，s为拉氏变化的复变量，G_W(s)为位置控制的传递函数、G_s(s)为速度控制的传动函数、G₀(s)为负载的传动函数、R(s)为上位机产生的运动轨迹函数；根据控制原理，其开环传递函数G_k(s)为：

G_k(s)＝G_W(s)×G_s(s)×G₀(s)。

图5为在常规双电机同步控制系统的基础上依据交叉耦合控制原理增加了位置反馈修正补偿环节，对双电机位置差进行闭环控制，其中，G_c(s)为位置反馈修正补偿模块10的传动函数；位置反馈修正补偿模块10的输入为第一位置传感器8和第二位置传感器9检测的位置差ε，输出分别对第一电机驱动器2和第二电机驱动器3电机控制速度进行补偿，传递函数叠加点见图5；

位置差控制的开环传递函数G_k1(s)为：

G_k1(s)＝G_W(s)×G_s(s)×G₀(s)×G_c(s)。

位置差控制的开环增益K_c2＝K×K_c1。

将图5中交叉耦合控制器输出相加点①依据梅逊原理前移到相加点③，同理将图5中交叉耦合控制器输出相加点②依据梅逊原理前移到相加点④，同时将电机驱动器位置编码器反馈的相加点与交换耦合控制器的输出先相加，从而得到图6，图6虚框中输出为交叉耦合控制器和电机编码器位置反馈的叠加后的综合输出；

图6中：

$G_W\left(S\right)=K_1\frac{{\mathrm{\τ}}_{1}s+1}{{\mathrm{\τ}}_1}$

$G_c\left(S\right)=K_2\frac{{\mathrm{\τ}}_{2}s+1}{{\mathrm{\τ}}_2}$

$G_c\left(s\right)\×1/G_W\left(s\right)=K_2\frac{{\mathrm{\τ}}_2\left(s\right)+1}{{\mathrm{\τ}}_2}\×\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{K_1({\mathrm{\τ}}_{1}s+1)}$

其中，K₁为位置控制PI校正的比例系数，K₂为交叉耦合位置差控制PI校正的比例系数，τ₁、τ₂都是位置回路的PI校正积分时间常数（τ₁为位置控制PI校正的积分时间常数，τ₂为交叉耦合位置差控制PI校正积分时间常数），为简化系统控制系统参数整定，在工程中实践中，令二者相等，则上式可化简为：

$G_c\left(s\right)\×1/G_W\left(s\right)=K_2\frac{{\mathrm{\τ}}_{2}s+1}{{\mathrm{\τ}}_2}\×\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{K_1({\mathrm{\τ}}_{1}s+1)}$

$=K_2/K_1=K$

将图6简化可得到图7，比较图4和图7可以看出，增加位置反馈修正补偿模块10后，用位置反馈修正补偿模块10的输出分别代替第一位置传感器8、第二位置传感器9的输出，第一位置传感器8、第二位置传感器9的输出作为位置反馈修正补偿模块10的输入。位置反馈修正补偿模块10的输出数据是第一位置传感器8、第二位置传感器9的测量值上叠加了速度补偿信息，因此上位机1的控制软件也不需作任何改变。

实现过程如下：

首先按图1连接双电机同步控制系统，并进行位置控制的比例积分（PI）常规双电机同步控制系统参数进行整定；

将位置反馈修正补偿模块10按图2连接到上述的系统中，设X₁为第一位置传感器8的位置反馈值，设X₂为第二位置传感器9的位置反馈值，设K为位置反馈修正补偿模块10的增益，Y₁为第一编码器输出接口13处的输出值，Y₂为第二编码器输出接口14处的输出值；则从控制原理介绍部分可知，位置反馈修正补偿模块10的运算单元15进行如下运算：

Y₁＝X₁+K×(X₁-X₂)

Y₂＝X₂-K×(X₁-X₂)

采用试凑到方法调整参数K（0.01）开始逐渐增加，直到双电机同步控制系统出现震荡，将该K值除以1.5作为整定值固化在交叉耦合控制装置中，至此完成调试双电机交叉耦合控制系统的调试。

Claims (2)

1.一种双电机同步控制系统，它包括上位机（1）、第一电机驱动器（2）、第二电机驱动器（3）、第一电机（4）、第二电机（5）、第一负载（6）、第二负载（7）、第一位置传感器（8）和第二位置传感器（9），所述的上位机（1）的输出端分别与第一电机驱动器（2）、第二电机驱动器（3）连接，所述的第一电机驱动器（2）、第一电机（4）、第一负载（6）、第一位置传感器（8）依次连接，所述的第二电机驱动器（3）、第二电机（5）、第二负载（7）、第二位置传感器（9）依次连接；其特征在于，它还包括位置反馈修正补偿模块（10），所述的位置反馈修正补偿模块（10）的输入端接所述的第一位置传感器（8）和第二位置传感器（9），输出端接所述的上位机（1）的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种双电机同步控制系统，其特征在于，所述的位置反馈修正补偿模块（10）包括第一编码器输入接口（11）、第二编码器输入接口（12）、第一编码器输出接口（13）、第二编码器输出接口（14）和运算单元（15），所述第一编码器输入接口（11）、第二编码器输入接口（12）、第一编码器输出接口（13）、第二编码器输出接口（14）分别与所述的运算单元（15）连接；

其中，所述的第一编码器输入接口（11）和所述的第一位置传感器（8）连接，所述的第二编码器输入接口（12）和所述的第二位置传感器（9）连接，所述的第一编码器输出接口（13）、第二编码器输出接口（14）分别接入所述上位机（1）的输入端。

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