多轴系统同步控制技术研究

多轴系统同步控制技术研究摘要：本文主要介绍多轴系统的同步控制技术。

首先介绍了多轴系统的产生原因和同步控制的概念，然后结合两者介绍了多轴系统中同步控制技术的发展及其在数控系统中的应用情况。

其次，详细阐述了多轴系统同步控制的控制机理，分析了同步控制的基本理论。

基于控制机理，介绍了五种常用的同步控制策略，剖析了各种方法的优缺点及适用场合。

最后，简要介绍了多轴系统中同步控制常用的控制算法。

关键字：多轴系统，同步控制，控制机理，控制策略，控制算法Abstract：This article mainly introduces synchronous control skill in multi-axis system. First, it expounds the reasons of development of multi-axis and the concept of synchronous control, and then introduces the development of synchronous control in multi-axis system and application in CNC system by combining multi-axis system with synchronous control. Second, it expounds the control mechanism and basic theories of synchronous control. Based on control mechanism, this article introduces five control strategy methods, and discusses the relative merits of each method. At last, it presents the control algorithm used in synchronous control of multi-axis.Key Word：multi-axis system , synchronous control , control mechanism，control strategy , control algorithm自1952年美国麻省理工学院研制成功第一台数控系统，数控技术经过半个多世纪的发展，在机械行业中得到了广泛的应用。

随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能非常强大，数控系统的应用也日趋完善，大大的缩短了各种机械装置的生产周期，提高了机械加工效率和加工精度，改善了产品质量。

造纸、纺织、钣金加工等行业的发展，传统的单轴驱动技术因为存在以下局限性而难以满足这些领域内的应用需求：一方面单运动轴系统的输出功率存在上限，无法应用于对功率需求较大的场合；另一方面，使用单运动轴驱动大型对称负载，往往会导致两端负载的驱动力不一致，从而对加工质量和设备使用寿命产生不利影响]1[。

为解决单轴系统的各种缺点与不足，多轴控制技术应运而生。

当执行元件之间存在着一定的约束关系的时候，就需要采取适当的速度、位置策略对各执行器的运转进行同步控制。

近年来伺服控制技术的飞速发展，多轴同步系统更是得到了广泛的应用。

所谓同步控制，就是一个坐标的运动指令能够驱动两个电动机同时运行，通过对这两个电动机移动量的检测，将位移偏差反馈到数控系统获得同步误差补偿。

其目的是将主、从两个电动机之间的位移偏差量控制在一个允许的范围内]2[。

1.多轴系统同步控制技术发展多轴系统同步控制技术是一门跨学科的综合性技术，是电力电子技术、电气传动技术、信息技术、控制技术和机械技术的有机结合，它的发展与其它相关技术的发展是密切联系在一起的。

电力电子技术、电气传动技术、控制理论和方法的飞速发展促进了多轴系统同步控制的迅速发展，多轴系统同步控制技术可以获得良好的控制效果，能够获得满意的控制精度和工作稳定性]3[，在工程实际中得到了广泛的应用，解决了诸多工程中的实际问题，获得了巨大的经济效益和社会效益。

多轴系统的同步控制最初采用的是非耦合控制。

这种同步控制策略针对的是单个运动轴，各个运动轴相互独立，与其它轴没有任何的关联。

在这种控制策略中，如果系统中某一运动轴因为扰动等因素，其负载或者速度将会发生变化。

但由于各运动轴相互独立，彼此之间没有影响，这种变化并不能在其它运动轴上得以反映以减小同步误差。

所以，单轴的扰动势必会影响控制系统的协调性能]4[。

由此看来，非耦合同步控制这种控制策略并不能保证系统同步误差的减小，只能通过设计优良的控制器尽量使某些轴的单轴跟随误差减小。

在这种情况下，Koren于1980年提出了交叉耦合补偿控制策略（通常将系统中某一运动轴的输出进行某种变换后作为其他轴的参考输入来实现交叉耦合），该同步控制策略通过耦合系数将各运动轴的跟踪误差以及同步误差耦合成各轴的同步控制信号，作用到各轴的控制器，对同步误差进行补偿，以此达到同步的目的。

至此，多轴协调控制成为了研究的热点，许多科学研究者针对多轴协调控制理论展开了进一步的研究。

Kulkami和Srinivasan对交叉耦合补偿控制策略进行了详细的分析，并与1989年提出了最优控制方案。

由于传统的PID结构简单、调整方便、稳定性好，在多电机的控制中得到了广泛的应用。

随着模糊控制、神经控制、自适应控制、前馈控制等控制技术的不断深化发展，这些控制技术在数控系统的伺服控制上得到了极大的发挥。

但由于对于多电机同步控制过程中存在时变性、对象不确定性、非线性以及随机干扰等现象，PID控制很难得到精确的控制结果。

因此由于PID自身的特性，只在精度要求不高的被控对象中得到了广泛的应用。

近年来，除了使用传统的PID控制外，许多科学研究者将现代控制理论，如鲁棒控制、模糊控制、神经网络、模型参考自适应控制等，应用到多轴系统的同步控制中。

事实证明取得了很好的效果，进一步提高了系统的性能。

除此以外，研究人员将传统的PID控制技术与智能控制技术相结合，得到了很多新型多轴系统的同步控制方法，如模糊PID控制方法、PID神经网络等，大大提高了同步控制的精度。

随着工业的发展，越来越多的场合用到了双轴或多轴控制系统。

为了满足双轴驱动时同步控制的需要，国外的各大数控系统生产商都积极的开发出了自己的具有双轴同步控制功能的数控系统。

国外的数控技术起源早，在技术方面远远领先于国内，像德国的西门子、法国的NUM、日本的FANUC等早已实现了双轴的同步控制，并在实用中取得了良好的效果。

比较典型的机型有20世纪90年代推出的西门子840D/810D，法国的NUM 1040M以及日本FANUC的FANUC-15i。

它们通过对参数的设置，来确定需要同步的双轴以及双轴的主从之分，并且通过设置参数来给定双轴不同步的最大极限值以此来保护机床51[。

下面分别对上述三种类型数控系统的同步控制方法加以说明。

1)西门子840D/810D的双轴同步西门子840D/810D实现双轴同步功能时，主要分为三个步骤：第一步：主动轴回零。

主轴回参考点，从动轴跟随主轴同步运行，直到主轴到达参考点。

第二步：从动轴回零。

主动轴达到参考点后，从动轴自动回参考点（内部自动起动），此时主动轴跟随从动轴运动。

所有的同步轴回到参考点后，然后对主动轴与从动轴的位置进行比较，如果差值不大于报警极限控制系统，开始同步过程强制连接，如果差值大于报警极限，则控制系统不会自动开始同步过程，并输出等待同步起动信息，等待操作员起动同步处理，再次起动。

第三步：同步处理。

主动轴和从动轴的补偿功能被激活，时刻监视双轴的运行状态，并及时进行补偿。

2)NUM 1040M中的双轴同步NUM 1040M数控系统在处理同步时与西门子的比较相似，只是在处理同步补偿时比较简洁。

直接将主、从动轴的差值在下一个插补周期时叠加到从动轴的输出上，简化了一系列的复杂的运算。

NUM的独特之处在于其向用户展示的各项参数，具有很强的开放性，对P 参数的设置是其开放性的特征之一，NUM 1040M系统中共有115个P参数，通过修改P参数就可以实现对控制系统的配置。

用户可在NUM专用软件的环境下，方便、快捷的通过P参数对系统进行配置与调整，亦可不借助任何软件及工具，在线修改P参数。

NUM系统中，双轴同步控制的功能也是通过设定P参数实现的。

3)FANUC-15i中的双轴同步其同步的建立有两种方式：基于手动返回参考点上的同步建立；基于机床坐标系的同步建立。

虽然国外很多数控系统供应商推出了各自的具有双轴同步控制功能的数控系统，并且在市场上还有不错的表现，但是，这并不代表在现有的基础上双轴同步控制的研究就达到了完美的境界，这里面还是存在很多问题值得探讨的。

开发具有双轴同步控制功能的数控系统周期长，在进行高速高精控制时，双轴的反馈以及反馈的处理一定要及时，这对数控系统本身就有很高的要求。

对于国产众多数控系统来说，由于其插补周期的限制，在数控系统上进行双轴同步控制技术的突破，颇有难度。

随着电子技术的发展，伺服驱动的功能也日益强大起来，如果能将双轴同步控制的功能整合到伺服驱动中，这样，不但减轻了数控系统的负担，而且使得反馈回来的同步数据的处理更加迅捷，在控制高速高精机床时更具有优势]6[。

2.多轴系统同步控制机理多轴系统是非线性、强耦合的多输入多输出系统。

多轴系统同步控制的主要性能指标有：速度比例同步；位置（或角度）同步；绝对值误差小于某限幅值。

多轴系统的同步运行关系一般分为以下几类]7[：1) 要求多轴系统的同步运动具有相同的速度或位移量在瞬态或稳态都能够保持同步，这是通常将的侠义上的同步，也就是最简单的同步控制。

以常见的双轴系统为例，该种情况下角位移同步误差Δθ可由以下公式求得：⎰⎰∆=-=-=∆dt dt ωωωθθθ)(2121 (1-1)其中θ1、θ2、ω1、ω2分别为运动轴1和2的角位移和角速度。

由公式(1-1)可知，若在某个阶段Δω始终为零，则Δθ也为零。

但假设系统因为外界干扰等原因导致Δθ发生变换，为消除该同步误差，必然要求两个轴以不同的速度运动，从而使得Δω偏离零点，即产生速度误差。

由此可以看出，虽然在多数情况下系统的位置同步需要有速度同步作为前提保障，但在某些时刻，为了实现位移同步，就必须牺牲一定的速度同步性能，此时两者呈现相互制约的关系。

2) 要求多轴系统中个运动轴以一定的比例关系运行。

在实际多轴系统中，有些场合并不一定要求各台电机的速度完全相等，而一般的情况是要求各台电机之间能都协调运行。

假设系统中运动轴1 、2的输出角速度为ω1、ω2，那么它们之间应当保持如下关系才能满足此类同步控制的需求：21ωωa = (1-2)此处a 即为速度同步系数，通过对该系数的在线设定和修改，便可以实现系统在各种不同场合下的同步运动，这便是广义上的同步概念。