同轴多电机同步控制

浅谈同轴多电机同步控制
在数控系统中，有时采用多台电机联动虚拟为一个坐标轴，来驱动机床坐标的运动。

最常用的多电机驱动为同步(Synchronous)运动的形式，比如，要求两台以相同的速度和位移运动的电机带动齿轮与齿条啮合作为一个坐标轴运动，这样的坐标轴被称为“同步轴”。

同步技术被广泛应用在数控技术中，比如大跨距龙门机床的龙门直线移动、大型三坐标测量机的双柱直线移动，为保持运动的均匀，都需要两个电机同步驱动。

一、同步控制系统
本文主要从TFT-LCD产线内Stoker实现自动搬送的村田Crane Y-Axis四个私服电机的精确同步控制来讨论，使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点。

现在我们所需要讨论的是为什么四个伺服电机的转速、定位达到同步，如图1所示。

图1
实现同步一般有两种方法：
一是机械同步：同步系统由机械装置组成。

这种同步方法容易实现，但机械传动链复杂，传动件加工精度要求高，所需的零件多，难以更换传动比，且占用的空间大。

二是电伺服同步：同步系统由控制器、电子调节器、功率放大器、伺服电机和机械传动箱等组成。

所需机械传动链简单、调试方便、精度高、容易改变电子齿轮比。

在电伺服同步系统中，“同步”的概念是指系统中具有两个或两个以上由电子控制的伺服放大器和伺服电机组成的“控制对象”，其中一个为“主(Master)控制对象”，另外一个或多个为“从(Slave)控制对象”，控制量为机械的位移或速度(对旋转运动为转角或转速)。

通过控制器使“从控制对象”和“主控制对象”的输出控制量保持一定的严格比例关系，这种运动系统称为同步系统。

一般同步系统的输出控制量为位置和速度。

前面所提到的“同步轴”，“主控制对象”与“从控制对象”的输出控制量相等。

为了简化讨论，同步系统中的控制装置可被简化为具有一个积分环节的位置系统，其框图如图2所示。

其中KV为简化后控制装置的位置控制器的开环增益，XC、XO为位置输入、输出；FC为速度指令，Δ为位置误差，KF为速度环增益。

图2
利用图2的控制装置可以组成两种同步系统：
自同步系统(Active Synchronous System)：该控制系统具有两个相同参数的控制装置和驱动电机，分别驱动主、从轴。

控制器送出指令同时给主控制装置和从控制装置，经测量同步误差反馈给从控制装置的输入，用来校正同步的误差，以保证主、从的输出保持严格的比例关系，如图3所示。

图3
其中XAMO为自同步系统主控制装置的输出，XASO为自同步系统从控制装置的输出，由于从控制装置是数字控制的伺服系统，其输出跟随输入变化；也即从控制装置的输出可以自动跟随主控制装置的输出变化，故称它具有自同步能力。

他同步系统(Passive Synchronous System)：在同步系统中，由控制器发出指令提供给主控制装置，同时也提供给从控制装置，用同样的指令控制主从装置使这两种控制装置的输出同步，如图4所示。

图4
其中XPMO为他同步系统的主控制装置的输出，XPSO为他同步系统从控制装置的输出。

这种同步系统如果由于某种原因，比如负载发生变化，主控制装置输出XPMO发生变化，从控制装置的输出不受控制，所以不能跟随其变化，因此该系统缺乏自同步能力，被称为他同步系统。

从以上分析可得知Crane的Y-Axis的定位属于自同步系统，Crane走行的位置是通过电机Encoder 的实时反馈，实时比较，实时补偿来实现的。

二、伺服系统
村田Crane的Y-Axis定位系统自上而下为MPC3(Muratec Program Control 3)、Servo AMP、Motor。

MPC3为村田自己所特有的几个模块，其功能与PLC相似，故在村田Crane内部没有PLC 的存在，PLC的功能都由MPC3来实现。

Crane的Servo AMP均为MR-J2S-□□B-□□系列；Motor 采用同样型号、同样参数的相同伺服电机，且电机轴同轴心，均为HC-SFC-□□B系列。

图5
Crane 的Y-Axis 的OP 侧和HP 侧各有两个Servo 电机，分别使用四个电机实现两个刚性连接。

为了实现同步，采用了电机的主从控制，主从传动则是在所有电机中确定一台为主令电机,其他各电机均跟随主令相应动作,即从电机的输入脉冲都与主令电机的输出频率相关，同步传动实质上是一个频率跟踪系统。

主电机控制电路 从电机控制电路
图6
如图6所示，Al 是主电机控制系统，S1为输入控制信号，Fl 是反馈信号。

根据控制理论Fl 应随S1变化
而变化，当Sl 等于Fl 时，整个系统或者停止，或者处于匀速状态。

如果将主电机驱动系统的反馈信号Fl 作为从电机系统的输入信号， A2是从电机控制系统，S2是输入控制系统，F2为反馈信号。

E2=Fl -F2，如果E2随系统的运动不断地增加或减少，表明Fl 与F2没有很好地吻合，这就不能称之为刚性连接方式下的主从控制。

图7 主从电机工作原理
三、SSCENT
Muratec Crane 伺服控制主要有MPC3的SSCNET 基板来实现，因为在整个伺服系统之中并不存在伺服的运动控制器，而伺服系统中运动控制器的功能都被集成到MPC3 SSCNET 基板之中。

在运动控制器之中采用高速串行通讯设置伺服电机同步或绝对系统，运动CPU （MPC3 SSCNET 基板）能够通过三菱伺服系统控制网络SSCNET （Servo System Controller Network ）与伺服放大器连接，可以在运动控制器里收集伺服数据，修改伺服参数，试运行和监控伺服放大器，以实现高速高精度定位，单个运动控制器可以控制多轴的伺服放大器，SSCNET 使多轴的同步、插补等高级定位功能发挥得淋漓尽致，而且SSCNET 的对电机实行的是位置死循环控制和转矩死循环控制。

控制器和伺服放大器完全同步时序如图8：
图8
SSCENT 能够相位延迟补偿，它能够补偿相位延迟时间（编码器反馈数据延迟时间+
滞留脉冲延迟
时间），在SSCNET中所有的时钟信号是同步的,所以这个延迟时间是固定。

SSCENT会自动计算延迟时间，实现自动补偿。

在MR-J2S伺服系统之中还自带同步编码器跟踪功能、振动抑制控制功能（自适应滤波器）、鲁棒扰动补偿功能等，这些功能能够让系统更加精确的定位。

综上所述，Crane要实现四个轴的同步控制的步骤可简单概括为：
1.MPC3基板（SSCENT基板）将需要到达的位置计算成为相应的脉冲数给四个轴的Servo AMP，Servo AMP在将相应的脉冲给各个轴的伺服电机。

其中一个电机为主(Master)控制对象，其余三个为从(Slave)控制对象。

2.电机在接受到脉冲之后，开始相应的转与脉冲数相当的转数，同时电机的Encoder实时将电机的转数回馈给Servo AMP，Servo AMP在给MPC3，SSCENT基板来实时计算偏差（主控对象与从控对象之间的差值，以及当前位置与目的地之间的差值），同时实时补偿。

3.鉴于SSCENT对电机实行的是位置死循环控制和转矩死循环控制，且系统是一个自同步系统，所以整个系统在精确到达目的地前，系统将不停的反馈、计算、补偿。