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