CN102710183B - 多电机交叉耦合同步控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多电机交叉耦合同步控制***，用于实现两个伺服控制单元的同步控制，所述两个伺服控制单元分别用于控制不同伺服电机转动且每一所述伺服控制单元包括位置控制子单元、速度控制子单元以及电流控制子单元；该***包括应力检测单元以及应力交叉耦合控制单元；所述应力检测单元，用于检测龙门横梁上两个转轴处的应力；所述应力交叉耦合控制单元，用于根据所述应力检测单元测得的两个应力对两个伺服控制单元的电流控制子单元进行电流补偿。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过龙门横梁的应力检测进行转矩调整，可减小同步控制中轴与轴之间的绝对位置的偏差。

Description

多电机交叉耦合同步控制***及方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种多电机交叉耦合同步控制***。

背景技术

多电机的同步控制方法一般分为非耦合方式与耦合方式，非耦合的同步控制方式目前常用的有主令参考同步方式和主从同步方式。

非耦合主令参考同步控制方式中，各个电机传动单元同享给定信号，即主令参考信号。主令参考信号直接作用到每个单元的电机上，使每个单元获得一致的输入信号。各单元的输入信号仅受参考信号的影响，所以任一单元的扰动不会影响其它单元的工作状态。这就出现两种情况：一是当各个单元的跟随性能相似而且任何单元电动机都没有受到大的扰动时，该方案能够较好地实现同步功能；另一种情况是当某一单元发生扰动时，***的同步就得不到保证。该方式与机械总轴方式相比，失去了各个电机之间的相互耦合环节，因而失出了机械总轴协调方式的固有协调特性，从而影响***的正常运行。

目前在同步控制的理论研究上己经采用了很多先进的控制方法，都取得了一些成果，但由于交流伺服电机非线性、特性的不匹配性、转矩有界性、负载和跟踪曲线的不确定性及其非线性等等这些关键问题的存在，特别是在高速高精度下如何获得***的高品质与稳定的鲁棒性，目前的控制方法并未从根本上解决交流伺服电机的同步控制问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述同步控制方案无法从根本上解决交流伺服电机的同步控制的问题，提供一种多电机交叉耦合同步控制***及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种多电机交叉耦合同步控制***，用于实现两个伺服控制单元的同步控制，所述两个伺服控制单元分别用于控制不同伺服电机转动且每一所述伺服控制单元包括位置控制子单元、速度控制子单元以及电流控制子单元；所述***包括应力检测单元以及应力交叉耦合控制单元；所述应力检测单元，用于检测龙门横梁上两个转轴处的应力，且该应力检测单元通过两个分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器获得应力检测值；所述应力交叉耦合控制单元，用于根据所述应力检测单元测得的两个应力对两个伺服控制单元的电流控制子单元的输入端进行补偿。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制***中，所述应力检测单元包括分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器，所述应力交叉耦合控制单元包括第一PID调节子单元，该第一PID调节子单元采用PID控制算法计算电流补偿的补偿值。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制***中，所述***还包括位置交叉耦合控制单元，用于根据各转轴的反馈位置信息对每一伺服控制单元的速度控制单元进行速度补偿。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制***中，所述位置交叉耦合控制单元包括第二PID调节子单元，用于根据两个转轴的反馈位置信息并使用PID控制算法计算速度补偿的补偿值。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制***中，所述位置交叉耦合控制单元包括位置差判断单元，用于在两个转轴的位置差超过设定的最大极限值时使伺服控制单元控制两个伺服电机停机，并在转轴的位置差小于安全值时使取消速度补偿。

本发明还提供一种多电机交叉耦合同步控制方法，用于实现两个伺服控制单元的同步控制，所述两个伺服控制单元分别用于控制不同伺服电机转动且每一所述伺服控制单元包括位置控制子单元、速度控制子单元以及电流控制子单元；所述方法包括以下步骤：

(a)通过两个分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器检测龙门横梁上两个转轴处的应力；

(b)根据测得的两个应力对两个伺服控制单元的电流环的输入端进行补偿。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制方法中，所述电流补偿的补偿值计算采用PID控制算法。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制方法中，所述方法还包括：根据各转轴的反馈位置信息对每一伺服控制单元的速度环进行速度补偿。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制方法中，所述速度补偿的补偿值计算采用PID控制算法。

在本发明所述的多电机交叉耦合同步控制方法中，所述速度补偿之前包括：判断两个转轴的位置差的值，在所述位置差的值超过设定的最大极限值时使伺服控制单元控制两个伺服电机停机，并在所述位置差的值小于安全值时取消速度补偿。

本发明的多电机交叉耦合同步控制***及方法，通过龙门横梁的应力检测进行转矩调整，可减小同步控制中轴与轴之间的绝对位置的偏差。并且本发明结合位置交叉耦合调整，具有更好的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明多电机交叉耦合同步控制***第一实施例的示意图。

图2是本发明多电机交叉耦合同步控制***第二实施例的示意图。

图3是本发明多电机交叉耦合同步控制方法第一实施例的流程图。

图4是本发明多电机交叉耦合同步控制方法第二实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，驱动***由伺服控制单元10与电机14构成，其中电机14带动丝杆作用于工件(对象物)上，完成相应操作。伺服控制单元10从上位控制装置或上位控制模块获取位置指令，进行位置闭环处理、速度闭环处理及电流闭环处理。具体地，位置控制子单元11从位置指令中减去反馈值，求出位置偏差，将该位置偏差乘以位置增益，进行位置闭环控制，求出速度指令；速度控制子单元12从上述速度指令中减去速度反馈值，求出速度偏差，进行比例、积分控制等速度闭环处理，求出转矩指令(电流指令)；电流控制子单元13从上述转矩指令中减去电流反馈值，进行电流闭环处理，求出各相的电压指令，进行PWM(pulsewidthmodulation)等，从而实现对电机14的驱动控制。

如图1所示，是本发明多电机交叉耦合同步控制***第一实施例的示意图。在本实施例中，该***包括应力检测单元15以及应力交叉耦合控制单元16，其中应力检测单元15可通过两个分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器17获得应力检测值。特别地，上述应力检测单元15以及应力交叉耦合控制单元16可集成到其中一个伺服控制单元10，或者也可以位于一个独立的控制装置并连接到两个伺服控制单元10。

应力检测单元15用于检测龙门横梁上两个转轴处的应力。应力交叉耦合控制单元16用于根据应力检测单元测得的两个应力对两个伺服控制单元的电流控制子单元进行电流补偿。

由于伺服的控制由位置控制子单元11传递到电流控制子单元13存在一定的延时，而且其经过速度控制子单元12间接作用，应力交叉耦合控制单元16可直接测量两个转轴应力负载的变化，对力矩环进行补偿。

上述应力交叉耦合控制单元16可包括一个第一PID调节子单元，其采用PID控制算法计算电流补偿的补偿值，即：

$U\left(i\right)-K_p\{e\left(i\right)+\frac{T}{T_i}\mathrm{\β}\underset{j=0}{\overset{i}{\Σ}}e\left(j\right)+\frac{T_d}{T}\[e\left(i\right)-e(i-1)\]\}$

其中e(i)为两转轴的应力差。电流控制子单元13根据应力交叉耦合控制单元16计算获得的电流补偿值及来自速度控制子单元12的转矩指令进行电流闭环处理。

如图2所示，是本发明多电机交叉耦合同步控制***第二实施例的示意图。在本实施例中，该***包括位置交叉耦合控制单元28、应力检测单元25以及应力交叉耦合控制单元26，其中应力检测单元25可通过两个分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器27获得应力检测值。特别地，上述位置交叉耦合控制单元28、应力检测单元25以及应力交叉耦合控制单元26可集成到其中一个伺服控制单元10，或者也可以位于一个独立的控制装置并连接到两个伺服控制单元10。

与第一实施例相同地，应力检测单元25用于检测龙门横梁上两个转轴处的应力。应力交叉耦合控制单元26用于根据应力检测单元测得的两个应力对伺服控制单元10的电流控制子单元13进行电流补偿。

位置交叉耦合控制单元28用于根据与电机14相连的各转轴的反馈位置信息(例如编码器的反馈信息)对每一伺服控制单元10的速度控制单元12进行速度补偿。该位置交叉耦合控制单元包括一个第二PID调节子单元，用于根据两个转轴的反馈位置信息并使用PID控制算法计算速度补偿的补偿值，即：

$U\left(i\right)=K_p\{e\left(i\right)+\frac{T}{T_i}\mathrm{\β}\underset{j=0}{\overset{i}{\Σ}}e\left(j\right)+\frac{T_d}{T}\[e\left(i\right)-e(i-1)\]\}$

其中e(i)为两转轴的位置差。速度控制子单元12根据位置交叉耦合控制单元28计算获得的速度补偿值及来自位置控制子单元11的速度指令进行比例、积分控制等速度闭环处理，求出转矩指令。

在上述***中，位置交叉耦合控制单元28还包括位置差判断单元，用于在两个转轴的位置差超过设定的最大极限值△Xlim时，向伺服控制单元10输出指令，控制两个伺服电机14停机。上述△Xlim为两转轴所能容忍的位置差的极限值，当两转轴的位置差超过此极限值时，轻则损坏丝杆，更严重的是对机床可能会造成不可修复的损伤。因此，一旦两转轴的误差达到此极限值，需进行***报警，并且控制电机立即停转。

上述位置差判断单元还在两个转轴的位置差小于安全值△Xmin时使第二PID调节子单元取消速度补偿。△Xmin为两个转轴位置差的安全值，通过设置该值，可减少***的计算量。当两个转轴的位置差小于此值时，可以认为两个转轴处于同步状态，而不需要进行补偿，此时将两个转轴的误差作为下一次计算的基础保存起来，以便下次需要计算补偿值时参与计算。

上述的最大极限值△Xlim和安全值△Xmin可根据不同的应用场景设定。通常精度要求越高最大极限值△Xlim和安全值△Xmin的值越小。

上述的位置交叉耦合控制单元28和应力交叉耦合控制单元26都采用交叉耦合控制方式，即反馈的信息同时返回给两个伺服控制单元10，并同时在两个伺服控制单元中进行调节，大大增加了调节的效率。

如图3所示，是本发明多电机交叉耦合同步控制方法第一实施例的示意图。该方法用于实现两个伺服控制单元的同步控制，上述两个伺服控制单元分别用于控制不同伺服电机转动且每一伺服控制单元包括位置环、速度环以及电流环。该方法包括以下步骤：

步骤S31：检测龙门横梁上两个转轴处的应力。该步骤中，可通过两个分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器获得应力检测值。

步骤S32：根据测得的两个应力对两个伺服控制单元的电流环进行电流补偿。上述电流补偿的补偿值可采用PID控制算法计算，即：

$U\left(i\right)=K_p\{e\left(i\right)+\frac{T}{T_i}\mathrm{\β}\underset{j=0}{\overset{i}{\Σ}}e\left(j\right)+\frac{T_d}{T}\[e\left(i\right)-e(i-1)\]\}$

其中e(i)为两转轴的应力差。伺服控制单元的电流环根据计算获得的电流补偿值及来自速度环的转矩指令进行电流闭环处理。

在本发明多电机交叉耦合同步控制方法的第二实施例中，除了包括上述步骤S31、S32外，如图4所示，还包括以下步骤：

步骤S41：计算两个转轴的位置差。上述各个转轴的位置可通过编码器获取。

步骤S42：判断上述位置差是否大于设定的最大极限值△Xlim，若位置差大于上述最大极限值△Xlim，则执行步骤S43；否则执行步骤S44。

步骤S43：向伺服控制单元输出指令，控制两个伺服电机停机。

步骤S44：判断两个转轴的位置差是否小于安全值△Xmin，并在位置差小于安全值△Xmin时执行步骤S46，否则执行步骤S45。

步骤S45：通过伺服控制单元的速度环进行速度补偿。具体地，该步骤使用PID控制算法计算速度补偿的补偿值，即：

$U\left(i\right)=K_p\{e\left(i\right)+\frac{T}{T_i}\mathrm{\β}\underset{j=0}{\overset{i}{\Σ}}e\left(j\right)+\frac{T_d}{T}\[e\left(i\right)-e(i-1)\]\}$

其中e(i)为两转轴的位置差。速度环将上述速度补偿值及来自位置环的速度指令进行比例、积分控制等速度闭环处理，求出转矩指令。

步骤S46：直接将两个转轴的位置差作为下一次计算的基础保存起来，以便下次需要计算补偿值时参与计算，并返回步骤S41。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多电机交叉耦合同步控制***，用于实现两个伺服控制单元的同步控制，所述两个伺服控制单元分别用于控制不同伺服电机转动且每一所述伺服控制单元包括位置控制子单元、速度控制子单元以及电流控制子单元；其特征在于：所述***包括应力检测单元以及应力交叉耦合控制单元；所述应力检测单元，用于检测龙门横梁上两个转轴处的应力，且该应力检测单元通过两个分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器获得应力检测值；所述应力交叉耦合控制单元，用于根据所述应力检测单元测得的两个应力对两个伺服控制单元的电流控制子单元的输入端进行补偿。

2.根据权利要求1所述的多电机交叉耦合同步控制***，其特征在于：所述应力交叉耦合控制单元包括第一PID调节子单元，该第一PID调节子单元采用PID控制算法计算电流补偿的补偿值。

3.根据权利要求1或2所述的多电机交叉耦合同步控制***，其特征在于：所述***还包括位置交叉耦合控制单元，用于根据各转轴的反馈位置信息对每一伺服控制单元的速度控制单元进行速度补偿。

4.根据权利要求3所述的多电机交叉耦合同步控制***，其特征在于：所述位置交叉耦合控制单元包括第二PID调节子单元，用于根据两个转轴的反馈位置信息并使用PID控制算法计算速度补偿的补偿值。

5.根据权利要求3所述的多电机交叉耦合同步控制***，其特征在于：所述位置交叉耦合控制单元包括位置差判断单元，用于在两个转轴的位置差超过设定的最大极限值时使伺服控制单元控制两个伺服电机停机，并在转轴的位置差小于安全值时使取消速度补偿。

6.一种多电机交叉耦合同步控制方法，用于实现两个伺服控制单元的同步控制，所述两个伺服控制单元分别用于控制不同伺服电机转动且每一所述伺服控制单元包括位置控制子单元、速度控制子单元以及电流控制子单元；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(a)通过两个分别安装在龙门横梁的两个转轴处的应力传感器检测龙门横梁上两个转轴处的应力；

(b)根据测得的两个应力对两个伺服控制单元的电流环的输入端进行补偿。

7.根据权利要求6所述的多电机同步控制方法，其特征在于：所述电流补偿的补偿值计算采用PID控制算法。

8.根据权利要求6或7所述的多电机交叉耦合同步控制方法，其特征在于：所述方法还包括：根据各转轴的反馈位置信息对每一伺服控制单元的速度环进行速度补偿。

9.根据权利要求8所述的多电机交叉耦合同步控制方法，其特征在于：所述速度补偿的补偿值计算采用PID控制算法。

10.根据权利要求8所述的多电机交叉耦合同步控制方法，其特征在于：所述速度补偿之前包括：判断两个转轴的位置差的值，在所述位置差的值超过设定的最大极限值时使伺服控制单元控制两个伺服电机停机，并在所述位置差的值小于安全值时取消速度补偿。