摘要：在制造業(yè)的某些精密運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合中，因被驅(qū)動(dòng)對(duì)象負(fù)載較大，采用單伺服軸驅(qū)動(dòng)功率（或力矩）不足，不得不采用雙軸甚至多軸驅(qū)動(dòng)方式。而采用雙軸伺服驅(qū)動(dòng)模式，必然涉及到兩軸的速度（位置）同步和它們的負(fù)載分擔(dān)問(wèn)題。本文主要介紹了貝加萊的雙軸同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理并探討了其模擬測(cè)試和調(diào)試方法。

1引言——雙軸驅(qū)動(dòng)需求的提出

雙軸伺服驅(qū)動(dòng)控制模式的提出基于以下需求：在制造業(yè)的某些精密驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)合中，因被驅(qū)動(dòng)對(duì)象負(fù)載較大，采用單伺服軸驅(qū)動(dòng)功率（力矩）不足，不得不采用雙軸甚至多軸驅(qū)動(dòng)方式。

采用雙軸（或多軸）伺服驅(qū)動(dòng)模式，就涉及到兩軸（或多軸）的瞬時(shí)速度和平均速度同步問(wèn)題和兩軸（或多軸）的負(fù)載分擔(dān)問(wèn)題。這兩者之間有著非常密切的關(guān)系，它們互相影響，但顯然，速度（位置）同步是必須首先保證的，在這個(gè)前提下各軸按其承擔(dān)的設(shè)定負(fù)載運(yùn)行。

不過(guò)盡可能力求各軸的負(fù)載均衡還是必要的，這可以優(yōu)化伺服驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)功率，以降低投資并節(jié)約能源。因?yàn)樵趦奢S（或多軸）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，其每臺(tái)伺服電機(jī)的功率（力矩）通常是按照負(fù)荷最大的伺服軸來(lái)計(jì)算并選型的。

2雙軸驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合

以下是關(guān)于雙伺服軸驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的實(shí)例：

（1）針對(duì)比較大的全電動(dòng)注塑機(jī)，如果采用1臺(tái)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)合模，其功率不夠，這時(shí)需要設(shè)置2個(gè)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然這就牽涉到2個(gè)軸的速度同步和負(fù)載分擔(dān)問(wèn)題。

（2）在大型橫切機(jī)上，有時(shí)需要采用2個(gè)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)切刀，這也牽涉到2個(gè)軸的速度同步問(wèn)題，以及力求兩個(gè)軸的負(fù)載平衡。

（3）硅片的多線切割雙主軸、變壓器硅鋼片剪切、高端大卷裝的提升等驅(qū)動(dòng)軸都采用過(guò)電流同步技術(shù)，大大提高了多軸的負(fù)載平衡性，充分挖掘了電氣潛能，獲得了更精確、更快速的控制效果。

其實(shí)在大多數(shù)情況下，各驅(qū)動(dòng)軸的負(fù)載不均衡是客觀存在的，只要不超過(guò)任一驅(qū)動(dòng)軸的負(fù)荷額定值，兩軸（或多軸）之間的負(fù)載不均衡是允許的，因?yàn)檫@不會(huì)對(duì)被驅(qū)動(dòng)裝置的速度、位置控制精度、力矩和動(dòng)態(tài)性能造成負(fù)面影響。

圖1雙軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

3雙軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

雙軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成方框圖如圖1所示。該系統(tǒng)中，采用一臺(tái)控制器通過(guò)POWERLINK高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，控制軸1和軸2的伺服驅(qū)動(dòng)器，兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器分別控制各自的伺服電機(jī)M1和M2，驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載。要求軸1和軸2達(dá)到速度同步和負(fù)載基本均衡。

3.2系統(tǒng)原理分析

雙軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理框圖如圖2所示。

在該雙軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，軸1和軸2以主從方式協(xié)同工作，以軸1為主導(dǎo)，軸2從動(dòng)。軸1設(shè)置了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制器，位置控制的輸出作為速度環(huán)的設(shè)定值，而速度控制的輸出則作為兩個(gè)軸的電流環(huán)的設(shè)定值，位置反饋信號(hào)取自軸1的伺服電機(jī)編碼器。軸2則僅設(shè)置了電流環(huán)。

這是一個(gè)典型的三環(huán)串級(jí)PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，位置環(huán)和速度環(huán)控制是關(guān)鍵，既保證了速度控制精度和雙軸同步，也保證了位置控制精度。而雙軸各自的電流環(huán)控制器，則保證了系統(tǒng)的機(jī)械特性剛度和兩軸的負(fù)載均衡度。

圖2系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理框圖

4模擬測(cè)試

4.1負(fù)載分離條件下的測(cè)試（或無(wú)條件連接負(fù)載）

在演示CUBE上測(cè)試，條件是兩臺(tái)伺服電機(jī)沒(méi)有固定連接在一起。

4.1.1通過(guò)ID325（電流環(huán)PID的設(shè)定）來(lái)控制從軸以電流環(huán)模式運(yùn)行

前提條件設(shè)定：

（1）ID328=4(驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行在力矩環(huán)模式，電流環(huán)設(shè)定=力矩環(huán)設(shè)定/力矩常數(shù))

（2）直接給ID325（力矩環(huán)設(shè)定賦值）。

（3）測(cè)試力矩環(huán)設(shè)定值（ID325）：

從0.01Nm逐漸增加到0.35Nm，低于0.2Nm時(shí)，運(yùn)動(dòng)不平滑，有時(shí)卡頓，增加到0.38Nm時(shí)，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)，并一直加速，直到23.1RPS~23.5RPS之間波動(dòng)；

再降低到0.3Nm，得到V=5RPS，偶爾有波動(dòng)，但是波動(dòng)速度、范圍比0.38Nm時(shí)小很多。

再增加到0.32Nm,得到V=10RPS，也有些波動(dòng)。(這個(gè)波動(dòng)可能對(duì)其它軸有擾動(dòng))

總結(jié)：在力矩模式下；通過(guò)ID4128來(lái)控制力矩設(shè)定ID325；啟動(dòng)電流比運(yùn)行電流大，但是方案可行。

4.1.2把主軸力矩設(shè)定（ID256）數(shù)值通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給從軸力矩設(shè)定（ID325）來(lái)控制從軸將軸1的ID256值，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到軸2的ID325。

（1）主軸上：

指令I(lǐng)D484=SCTRL_ISQ_REF,把主軸的速度環(huán)輸出（即力矩環(huán)設(shè)定ID256）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

（2）從軸上：（純力矩環(huán)模式）

接收網(wǎng)路上，軸1發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，送到力矩環(huán)設(shè)定（ID325）；

指令DI393=1，MA1_CYCLIC_SEND，從網(wǎng)上取站號(hào)1的master1數(shù)據(jù)。

指令I(lǐng)D325=MA1_CYCLIC_POS（ID542該數(shù)是DINT類型，所以任何類型的數(shù)，接收到該寄存器后，自動(dòng)轉(zhuǎn)為DINT），把取到的數(shù)據(jù)賦值給力矩環(huán)設(shè)定（ID325）。

（3）測(cè)試情況：

●啟動(dòng)主軸，從軸也跟著轉(zhuǎn)了；停止主軸，從軸也停止了。從軸會(huì)跟隨主軸電流大小在啟停。

●主軸在轉(zhuǎn)，但是從軸需要手動(dòng)推一下才轉(zhuǎn)甚至推一下也轉(zhuǎn)不起來(lái)。這是因?yàn)橹鬏S負(fù)載小，從軸負(fù)載大，從軸啟動(dòng)需要的電流大。

 ●主軸停下來(lái)了，從軸還在轉(zhuǎn)甚至超速。是因?yàn)橹鬏S負(fù)載大，從軸負(fù)載小。小電流啟動(dòng)不了主軸，卻可以帶動(dòng)從軸。關(guān)于后面兩點(diǎn)，當(dāng)主、從軸帶同一個(gè)負(fù)載時(shí)，這些問(wèn)題不存在。

（4）關(guān)于二拖一的其它注意事項(xiàng)

●設(shè)備工藝只與主軸相關(guān)，從軸相對(duì)獨(dú)立，只是取主軸速度環(huán)輸出（ID256，也是力矩設(shè)定）值，賦值給從軸力矩設(shè)定(ID325)即可。

●如果主軸力矩附加軸已賦值，則需把力矩之和發(fā)送到網(wǎng)上。

●因?yàn)橛袕妮S適時(shí)介入，因此主軸的速度、位置環(huán)PID需要在從軸工作時(shí)自動(dòng)整定，這些PID參數(shù)應(yīng)該和從軸不介入的PID參數(shù)不一樣。

上述測(cè)試在主軸電機(jī)突然改變方向的情況下，從軸均可以立即跟隨。

4.2連接負(fù)載條件下的測(cè)試

該方法在硅棒切片機(jī)（兩軸承擔(dān)指定負(fù)載，一般差2~3Nm）、硅鋼片橫剪線、大卷裝等采用雙軸伺服驅(qū)動(dòng)的裝置上都得到了應(yīng)用，可以有效地分配電機(jī)負(fù)荷，滿足位置和速度控制精度要求，電機(jī)的規(guī)格可以精確配置而無(wú)須保留過(guò)多余量。

大卷裝（兩軸平均分配負(fù)載）如圖3所示。

圖3大卷裝（帶負(fù)載，兩端各由一個(gè)伺服軸驅(qū)動(dòng)）

5結(jié)論

通過(guò)以上研究和測(cè)試，得出以下結(jié)論，并提出了相關(guān)意見(jiàn)。

（1）從軸只相當(dāng)于一個(gè)電流環(huán)的信號(hào)放大器，無(wú)需整定PID參數(shù)。

（2）整個(gè)項(xiàng)目工藝只需考慮主軸的運(yùn)動(dòng)控制，無(wú)需考慮從軸的情況，從軸只影響主軸的位置環(huán)、速度環(huán)的PID參數(shù)。

（3）當(dāng)整定主軸的PID參數(shù)時(shí)，必須使從軸處于跟隨主軸力矩狀態(tài)，否則參數(shù)不準(zhǔn)確。

（4）需要考慮異常情況，比如主軸故障停機(jī)時(shí)，應(yīng)使從軸也立即停車。

（5）從軸可用虛擬編碼器模式（節(jié)省一個(gè)編碼器）。

（6）盡量使用雙軸模塊，兩個(gè)軸在一個(gè)驅(qū)動(dòng)器CPU上控制，第一個(gè)通道的扭矩設(shè)定結(jié)果通過(guò)Crosslink給第二個(gè)通道，沒(méi)有任何延時(shí)的。而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)最短也有1.2ms延時(shí)（2倍網(wǎng)絡(luò)時(shí)間+驅(qū)動(dòng)器CPU周期）。

（7）可以采集主軸LAG_ERROR，再乘以一個(gè)比例，附加給從軸扭矩設(shè)定附加軸，用來(lái)修正從軸因時(shí)間滯后帶給主軸的擾動(dòng)。這在非雙軸模塊上使用非常有效。

（8）當(dāng)多個(gè)規(guī)格（功率或力矩）不同的伺服軸帶同一負(fù)載時(shí)，可根據(jù)各自的功率按比例分配負(fù)載也是可行的。