1 引言
目前，许多高档数控系统具备了双轴同步功能，如市场上广泛使用的高档数控系统西门子840D提供了龙门轴功能，FANUC-18i数控系统提供了简易同步控制轴功能等。双轴同步驱动技术在数控机床中的应用越来越成为业界的热点呤。从已经具备龙门轴功能的数控系统来看，大多数控系统采用主从方式的同步控制方法，其原理是从动轴按照一定的协调同步关系跟踪主动轴运动，同步控制器根据主动轴和从动轴的位置偏差来调节从动轴，从而达到控制同步误差的目的。这种控制方法有一定的缺陷，即当出现同步误差时，主从同步控制方式只是根据主动轴的运动情况调节从动轴位置，而从动轴的负载干扰不会反馈回主动轴，因而其同步控制的精度不高。假设在控制过程中能将两个同步轴同时调节，那么将会快速提高同步轴的响应速度。现场总线技术的出现为这一设想提供了研究思路，现场总线承载的大量数据信息可以为双轴同步控制提供必要的数据支持。本文提出的基于现场总线的双轴同步协调控制方法即是基于这一思路设计的一种同步控制方式。在该双轴同步协调控制方式下，同步控制器的输入是两个轴的同步误差，同步控制器的输出同时调节两个同步轴的位置，以达到快速响应的目的。通过双轴同步实验证明，该方法较主从式控制提高了同步误差的控制精度同时也减小了两个轴的跟随误差。
2 现场总线与双轴同步控制概述
现场总线为控制器和伺服驱动器提供了必要的信息交换的手段，本节概述现场总线和双轴同步控制的基本工作原理，以便后续阐明现场总线如何对双轴同步控制提供支撑。
2.1 现场总线
基于现场总线的控制系统结构。现场总线的主设备以板卡的形式插入上位装置(如CNC)，从设备一般直接在伺服驱动器的硬件板上实现。上位装置的命令通过现场总线发给指定的伺服或IO；伺服或10的响应也通过现场总线传给上位装置。
总线中承载的信息有：CNC发给伺服装置的插补位置指令、伺服反馈给CNC的反馈位置信息、伺服反馈给CNC的速度信息等。该双轴同步协调控制方法通过总线上获取到位置反馈信息得到同步误差，同步误差经过同步控制器的计算将输出量补偿给两个轴的速度环。
2.2 双轴同步控制
主从式控制是当前数控机床同步控制的一个较为常见的控制策略，采用交流伺服驱动装置双轴主从同步控制口1的系统结构。
主从式同步控制的工作原理是：设定两个同方向运动的进给轴，一个为主动轴，一个为从动轴。主动轴伺服运动控制回路由一个伺服驱动器、一个伺服电机及一个位置检测装置。从动轴伺服运动控制回路由另一个伺服驱动器、另一个伺服电机、及另一个位置检测装置组成。CNC的位置控制单元同时发出位置伺服运动指令到主动轴及从动轴的伺服控制回路。两个位置检测装置的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较环外还将反馈信号送入CNC内部的一个比较器做差值比较。做差比较后，差值经过调整送入从动轴伺服控制回路的输入端。其中，两个位置检测装置的反馈信号差值就是主从轴间的同步误差。当差值为零时，说明两个轴的位置完全同步。
由上述主从同步控制的工作原理可以发现主动轴受到的干扰会被从动轴反映并跟随，但是从动轴上受到的任何干扰不会反馈回主动轴。所以这种控制策略两个同步轴同步调节的响应速度不快，因而其位置同步控制的精度不高。如果在发现两个同步轴位置不同步时能同时调节两个轴就可以提高同步轴的响应速度，进而提高同步误差的控制精度。基于此思路，本文第2节提出基于现场总线的双轴同步协调控制方法。
3 基于现场总线的双轴同步协调控制方法
上一小节对现场总线及双轴同步控制方法做了概述。由此可知，通过现场总线可以在CNC与伺服间传送多个数据信息，这为双轴同步协调控制方法的实现提供了支持。下文对基于现场总线的双轴同步协调控制方法进行详细地阐述。
3.1 双轴同步协调控制系统结构
本文设计的基于现场总线的双轴同步协调控制系统结构。X和X'为两个同步轴，接收来自CNC相同的插补位置指令。每个轴伺服都是位置闭环控制。通过现场总线，CNC获取两个同步轴的实际位置，然后计算出同步误差送给协调控制器，协调控制器的输出送给控制信号分配模块，最后通过现场总线将输出量补偿给两个轴的速度环。双轴同步协调控制，一方面以消除同步误差为控制目标，另一方面要兼顾两个同步轴的跟随误差，合理协调同步控制信号，以减小跟随误差。
同步误差计算。在双轴协调同步控制中，同步误差为两个同步轴实际位置的偏差。由于两个轴的位置反馈值通过现场总线上传到CNC，所以在CNC中只需将这两个值做相减比较即得到同步误差。
同步控制器C。同步控制器以两个同步轴的同步位置偏差作为输入，其输出作为一种速度补偿由控制信号分配模块分配给两个同步轴，本质上是在两个同步轴的相对位置上加了一个闭环控制，其同步误差的控制效果取决于控制器的控制算法和控制参数。同步控制器是一个单输入单输出控制系统，有很多工程上适用的控制方法和设计方法可以使用。本章采用专家PID控制，即：当误差的绝对值较小时。实施较弱的控制作用；当误差的绝对值较大时，实施较强的控制作用；当误差处于稳定时只实施简单的积分控制。2.2节将具体阐述双轴专家PID控制算法的实现。
控制信号分配。双轴协调控制的一个重要步骤是控制信号分配。补偿量计算准确，分配合理即时，系统的同步性能就会提高，加工出来的产品自然就是高质量的；相反，补偿量不准，分配不合理，就会使双轴产生震荡，造成系统的不稳定，甚至超过系统报警极限，使加工产品的工作停止。2.3节将对控制信号分配策略做详细介绍。
3.2 专家PID控制算法
专家控制方法是基于受控对象和控制规律的各种知识，以智能的方式利用这些知识来实现对被控对象的控制。利用专家经验来设计专家PID参数便构成专家PID控制。error(k)表示第k个同步误差，Aerror(k)表示当前第k个同步误差相对于上一次(第k-1个)同步误差的增幅，M为系统设定的常数。
实施较强的控制作用即是控制器输出较大调整量，实施较弱的控制作用即是控制器输出较小的调整量。调整量的大小可以通过增加或是减小PID参数的大小来实现。
3.3 控制信号分配
分析可知两个同步轴的跟随误差有3种形式，控制信号分配策略依据两个轴的跟随误差进行分配。此时的调整不是对一个轴进行调整，而是同时调整两个轴。在同步轴中任何一个补偿都可以减小同步误差，具体每个轴补偿量的大小，取决于两个轴跟随误差的大小。
依据两个同步轴的跟随误差有3种形式，设同步控制器C的输出为PIDerror，具体的信号分配策略如下：
1)X轴和X'轴的实际位置点在位置指令点的同侧，且x轴跟随误差小于X'轴的跟随误差。此时将K1*PIDerror分配给X'轴，将K2*PIDerror分配给x轴。K1和K2为系统设定的常数，K1>K2且K1+K2=1。目的是使X'轴位置快速地靠近X轴位置。
2)X轴和X'轴的实际位置点在位置指令点的同侧，x轴跟随误差大于X'轴的跟随误差。此时将K1*PIDerror分配给X轴，以调整X'轴的位置，将K2}PIDerror分配给X'轴。K1和K2为系统设定的常数，K1>K2且K1+K2=1。目的是使X轴位置快速地靠近X'轴位置。
3)X轴和X'轴的实际位置点在位置指令点的两侧，则将同步控制器输出按比例分配给两个轴。x轴分配值为同步PI—Derror*｜rp｜／｜pp'｜，x’轴分配值为PIDerror｜rp'｜／｜pp'｜。
3.4 现场总线协议
在双轴协调式同步控制中，同步控制器的输出要补偿到两个同步轴的速度环中，因此两个同步轴的伺服除了接收插补位置指令外，还要接收同步误差速度补偿值。这个补偿值由现场总线协议的应用层协议提供。插补指令的应用层协议帧。CNC与伺服间每个传输周期可传输16个字节，第二列为CNC下发的插补命令，第三列为伺服响应的反馈位置和状态。在本文的设计中，在插补命令中加入了同步误差速度补偿字段。
4 实验
4.1 开放式数控系统实验平台
本双轴同步控制实验是在Linux+RTAI上运行的开放式数控系统EMC2下进行的，所以实验中需要搭建基于EMC2的实验平台，实验的软件平台，伺服与上位装置(EMC2)的通信是通过PCI板卡与伺服驱动器连接的现场总线来实现。数据之间的交换是通过数据队列完成的，同时数据队列也保证了数据通信的同步性，即X轴和X'轴接收到的指令数据是相同的。
4.2 双轴协调式同步控制算法实现
在2.2和2.3节中对专家PID控制算法和控制信号分配策略做了详细的介绍，双轴协调式同步控制算法的实现便很清晰。
实验中的硬件平台，采用的伺服和电机均由沈阳高精数控技术有限公司提供。伺服型号是：GJS-015ADA，电机型号为：GJM096ADB22。现设定的参数如为：Feed Override(进给率)=100％；Max Velocity(最大速度)=4413mm／min；MAX_ACCELERATION(最大加速度)=3000 ram／min；具体的实验结果见3.3节。
4.3 双轴同步控制实验
双轴运动要绘制的指令曲线(心形曲线在X轴方向上的轨迹)。运动轴的参数配置设置如3.1节提到。图9给出了主从方式与双轴协调方式下两同步轴x轴和x’轴的跟随误差曲线的比较。
注：实验中将运动过程中的EMC2 halscope中保存的同步误差采集回来后在Matlab重新绘制指令曲线、跟随误差曲线以及同步误差曲线。采样周期为1ms。不论是主从同步控制还是双轴协调控制。两个同步轴的跟随误差基本相同即同步误差较小。但是双轴协调下的跟随误差要小于主从式双轴同步控制下的跟随误差。
从误差曲线比较图可以发现采用双轴协调式的同步误差控制效果明显好于主从式的控制效果。尤其是在3s-4s以及6s-7s这两个时间段，电机加减速运动控制较为明显，跟随误差和同步误差都比较大，双轴协调式控制由于两个同步轴的响应速度快，同步误差得到了较好的控制，控制精度比主从式控制有了明显的提高。
基于总线的双轴同步协调控制方法较主从式控制有效地减小了同步误差，使同步控制效果得到了较好的提高。同时该方法也减小了两个轴的跟随误差。
5 结论
本文分析了传统的基于数控系统实现的双轴主从同步控制方法存在的问题，在此基础上结合运动控制总线的发展趋势提出了基于现场总线的双轴同步协调控制方法。这种方法克服了双轴主从同步控制方法的缺点，并充分发挥了自身控制效果的优势。最后通过具体的实验过程和数据对比分析。证明该方法具有更好的控制精度。这种基于现场总线的双轴同步控制方法，应用了主流的数字现场总线通讯技术，符合运动控制的技术发展方向。
(审核编辑: 智汇张瑜)
