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(1.華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064；3.武漢空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引言

多軸構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)主要由機械執(zhí)行機構(gòu)和運動控制器2部分組成。運動控制技術(shù)伴隨著數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)的進步而發(fā)展[1]。

目前，國內(nèi)外學者開發(fā)出的多軸運動控制系統(tǒng)，為使執(zhí)行機構(gòu)可以到達平面內(nèi)的任意一點，采用的方法往往是每個運動方向由1臺實際伺服電機驅(qū)動，多臺伺服電機聯(lián)動來完成運動控制[2-3]。然而，當某一個運動方向上所受的負載力矩較大時，該方向上若還是僅采用單臺伺服電機來驅(qū)動，很顯然運動的平穩(wěn)性得不到保證。為此，設計了新型行車運動控制系統(tǒng)。

1 新型行車系統(tǒng)構(gòu)成

新型行車運動控制系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的主視圖和俯視圖分別如圖1和圖2所示。

其中，X軸方向由2臺伺服電機A和B共同驅(qū)動，2臺伺服電機A和B分別安裝在在行車的兩端。2臺伺服電機共同驅(qū)動，既可以保證提供更大的驅(qū)動力矩，又由于2臺電機安裝位置的對稱性使X軸方向的運動更加平穩(wěn)。而X軸方向平穩(wěn)運動的關鍵在于，伺服電機A和伺服電機B在運動過程中的嚴格同步。為此，將著重介紹基于虛擬軸技術(shù)的兩軸同步運動的實現(xiàn)方法。

圖1 新型行車系統(tǒng)主視圖

圖2 新型行車系統(tǒng)俯視圖

Y軸方向由伺服電機C帶動。3臺伺服電機A，B，C一起聯(lián)動，則可以帶動重物在XY平面內(nèi)完成運動控制。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件組成

新型行車控制系統(tǒng)歸根結(jié)底是由3臺伺服電機帶動機械執(zhí)行機構(gòu)來完成運動控制功能，當機械系統(tǒng)設計加工安裝完畢以后，整個行車系統(tǒng)能否完成指定的功能則完全依賴于伺服電機的性能[4]。

新型行車系統(tǒng)以安川運動控制器MP2310為核心，通過3臺安川伺服驅(qū)動器完成對3臺伺服電機的控制。運動控制器與伺服驅(qū)動器，以及伺服驅(qū)動器與伺服驅(qū)動器之間，通過安川電機公司的MECHATROLINK-II總線進行連接。3臺伺服驅(qū)動器的軸編號依次設定為1～3，最后1臺伺服驅(qū)動器要接終端電阻，用來指示此伺服驅(qū)動器為運動控制系統(tǒng)最后1臺伺服驅(qū)動器[5]。3臺伺服電機的限位開關信號與安川運動控制器MP2310的I/O口相連，用于在機械機構(gòu)運動到行程終點時，采用程序使伺服電機緊急停止。

新型行車系統(tǒng)使用工業(yè)控制計算機作為上位機進行人機交互，采用以太網(wǎng)與運動控制器MP2310進行連接。用于給運動控制器MP2310發(fā)送控制與操作指令，以及接收MP2310反饋回來的信息并進行實時的顯示。

整個控制系統(tǒng)的硬件組成，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 基于虛擬軸的同步控制實現(xiàn)方法

常見的多軸同步控制[6]方法主要有2種：對等控制和主從控制[7]。對等控制，是最簡單直觀的一種同步策略，所有伺服驅(qū)動器的輸入來自于同一個信號，即主令參考信號。每個運動軸在該信號的控制下并行工作，互不相干。若其中一個軸受到擾動，由此產(chǎn)生的同步誤差只能通過該軸自身的調(diào)節(jié)來減小，其他軸并不會對其做出響應。并且，該種同步策略，只是要求各軸到達同一目標位置，在每一步運行過程中可能并不同步。由此可見，這種同步方式對于運動軸自身的跟隨性能有較高要求，且僅適用于受干擾較少的場合。主從式同步方案將運動軸劃分成主軸和從軸，其中從軸的參考輸入信號來自于主軸輸出。當從運動軸受到擾動時，主軸不會對其有任何響應，導致同步誤差得不到及時修正，且當2個電機負載不同時，同步的效果會很差。

虛擬軸技術(shù)，是為了實現(xiàn)精確同步運動而逐漸發(fā)展起來的一種新型同步運動控制技術(shù)[8]。安川運動控制器MP2310自帶虛擬運動模塊SVR和實際運動模塊SVB，其中，實際運動模塊SVB最多可以帶16臺實際伺服電機。由虛擬運動模塊和實際運動模塊組成的系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 虛擬運動模塊和實際運動模塊組成的系統(tǒng)

圖6 位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

運用虛擬軸技術(shù)實現(xiàn)同步控制的思想是：通過MP2310自帶的虛擬運動模塊SVR在X軸方向構(gòu)建1根虛擬軸V，虛擬軸V并不與實際的電機和驅(qū)動器相連接，因此不存在實際的誤差，可以精確地完成所有的運動命令。在梯形程序中，把虛擬軸V反饋回來的位置信號IL8816，賦值給伺服電機A的位置控制指令信號OL801C和伺服電機B的位置控制指令信號OL809C。因為虛擬軸的運動不存在任何誤差，而在虛擬軸運動過程中，實伺服電機A和伺服電機B的每一步運動都嚴格跟隨虛擬軸，因此在程序的每一個掃描周期或者整個運動過程中，伺服電機A和伺服電機B都將始終保持著同步。

2.3 多軸聯(lián)動控制策略

基于虛擬軸的同步控制只完成了X軸方向的運動控制，然而，要實現(xiàn)XY平面內(nèi)的任意曲線運動，還必須完成X軸與Y軸之間的聯(lián)動，也即伺服電機A和B要與伺服電機C聯(lián)動。

安川運動控制器MP2310完成多軸曲線運動，采用的是在運動程序中通過直線插補、圓弧插補等位置控制指令來實現(xiàn)[9]。由于新型行車系統(tǒng)X軸方向由2臺實際伺服電機帶動，所以很顯然不能直接采用X軸方向?qū)嶋H伺服電機與Y軸實際伺服電機進行直接插補，因為這樣X方向2臺實際伺服電機將不能夠保證同步?？紤]到X軸方向2臺實際伺服電機跟隨X方向的虛擬軸一起運動，所以，可以采用X方向的虛擬軸與Y方向的實際伺服電機C共同完成插補等位置控制，同時X方向2臺實際伺服電機跟隨虛擬軸V，這樣就完成了X軸方向的2臺伺服電機A和B與Y方向的伺服電機C之間的聯(lián)動。

X軸方向?qū)嶋H伺服電機A和B跟隨虛擬軸V運動，虛擬軸V和Y方向?qū)嶋H伺服電機C共同完成位置控制，整個多軸聯(lián)動控制策略如圖5所示。

圖5 多軸聯(lián)動控制策略

X方向虛擬軸V和Y方向?qū)嶋H伺服電機C插補運動，共同組成位置控制系統(tǒng)，如圖6所示。

由運動控制器MP2310給定虛擬軸V和實際伺服電機C平面定位位置插補信號，對于伺服驅(qū)動器而言，該信號既可以是位置環(huán)的指令信號，也可以經(jīng)過微分以后變成速度環(huán)的指令信號；OL8010是伺服驅(qū)動器速度環(huán)指令信號之一；虛擬軸V由于不與實際電機連接，不存在位置誤差，實際軸C的位移信號由伺服電機的編碼器反饋至位置環(huán)的輸入，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

位置環(huán)和速度環(huán)均采用PI進行調(diào)節(jié)，位置環(huán)PI控制參數(shù)KP，TI和速度環(huán)PI控制參數(shù)KV，NTI，均可在運動控制器MP2310進行設定。經(jīng)過位置環(huán)和速度環(huán)的調(diào)節(jié)以后，信號經(jīng)過電流環(huán)的處理送往伺服電機，對伺服電機進行控制。

2.4 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由計算機人機交互軟件和運動控制器軟件組成，控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

計算機人機交互軟件用VC++編制，為上位機軟件，是人機交互中心和通訊中心。其功能是：

a.控制模塊實現(xiàn)對控制信號進行選擇、設定，并通過以太網(wǎng)將控制信息傳送給運動控制器MP2310。

b.通過以太網(wǎng)，接收運動控制器發(fā)來的整個裝置相關的各項參數(shù)信息。

c.數(shù)據(jù)顯示模塊將接收到的電機速度、位置和行程開關等的實時信息，以數(shù)據(jù)更新、指示燈和動態(tài)曲線等方法顯示。

運動控制器軟件用安川的MPE720軟件來編寫，為下位機軟件。其功能是：

a.通過以太網(wǎng)接收來自上位機軟件的控制信號。

b.對控制信號進行判斷，以執(zhí)行不同的運動程序。

c.通過MECHATROLINK-Ⅱ總線，實現(xiàn)運動控制器與伺服驅(qū)動器的信息交換，從而實現(xiàn)對伺服電機的運動控制、參數(shù)監(jiān)測等，最終實現(xiàn)整個裝置按照指定的流程運行。

3 實驗及結(jié)果分析

以新型行車系統(tǒng)作為實驗平臺，所帶動重物質(zhì)量為100 kg，通過原點復歸操作設定X軸方向伺服電機A和伺服電機B的原點為最西側(cè)，Y軸方向伺服電機C的原點為最南側(cè)。按照多軸聯(lián)動控制策略編寫3臺伺服電機聯(lián)動的運動程序，設計3臺伺服電機聯(lián)動帶動重物，在XY平面內(nèi)按照Y=2X的直線先從(0，0)運動到(1 000，2 000)，接著再由(1 000，2 000)運動回(0，0)，并對實驗結(jié)果進行了驗證。

實驗中不斷記錄3臺伺服電機反饋回來的位置信息，所得實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù) mm

由表1可知，X軸方向的實際伺服電機A和實際伺服電機B反饋回來的位移差值非常小，說明了基于虛擬軸的2臺實際伺服電機A和B保持了很好的同步關系；并且，伺服電機C反饋回來的Y軸方向的位移與伺服電機A和B反饋回來的X軸方向的位移也基本滿足Y=2X的關系，與程序中所設計的帶動重物按照Y=2X直線運動相符。充分說明了多軸聯(lián)動控制策略的可行性。

4 結(jié)束語

以“計算機+運動控制器MP2310”為核心，設計了一個完善的多軸聯(lián)動控制系統(tǒng)?；跇?gòu)建虛擬軸的思想，實現(xiàn)了兩軸高精度的位置同步控制，并且在兩軸同步控制中，采用的是2個實軸對于虛擬軸的位置跟隨，所以很容易進行同步軸系數(shù)量的擴展，即很容易擴展到多軸同步控制。給出了XY平面三軸聯(lián)動系統(tǒng)的軟件設計框圖，并進行了實驗，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)多軸聯(lián)動位置控制。

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