专利名称：两平行轴同步移动伺服系统的控制设备和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种同步控制的方法，尤其涉及对两平行轴的位置和速度进行同步控制的方法。
背景技术：
在机器人运动控制中，需要对两个平行轴的位置和速度同步控制。
就两平行轴的情况来说，目前最常见的方法有两种，一种是两平行轴通过刚性同步轴连接，另一种是两轴分别用两个伺服电机控制。前者的优点是，结构简单，控制成本低，运行稳定可靠，在工业上的直角坐标机器人获得了应用，其缺点是，轴线方向很长的同步轴加工困难，加工成本极高，故一般不可能做得很长，限制了两平行轴的跨距，同步轴越长径向挠度越大，高速旋转时受到离心力的作用导致机械振动和噪音，故不适合用于大跨距高转速的两平行轴的同步控制。后者采用两个伺服电机控制，增设一台伺服电机，增加了控制成本，但是提高了运行的平稳性，在高速重载大跨距领域具有重要的实际意义。
用两台电机做同步运动，目前比较常见的做法是把两轴中其中的一个设为主轴，对应的伺服电机设为主电机，该伺服电机的编码器作为位置环反馈。另外一个伺服电机设为从电机，该伺服电机的编码器反馈值不参与运动控制。让从电机跟随主电机运动，实现两轴位置环同步，但是不能实现速度同步，而且这种跟踪同步方法只能在少数高档运动控制卡上实现，需要运动控制卡的主频非产高。
发明内容
本发明的目的是提供一种对两平行轴的位置和速度进行同步控制的方法，旨在有效解决大跨距两同步轴高速运行位置和速度同步控制的问题，该方法不设置主动被动轴，两个位置速度力矩三闭环系统按插补规则各自独立运行，能充分达到位置同步和速度同步，可在普通运动控制卡上成功获得实现，主频要求不高。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于实现两个轴的同步移动或转动的伺服系统的控制设备，所述伺服系统包括分别用于驱动所述两个平行轴的位移的两个伺服执行机构；所述控制设备，用于控制所述两个伺服执行机构，其特征在于所述控制设备进一步包括 控制基准发生装置，用于根据一个当前控制周期开始时所述两个对象的当前位置，确定所述当前控制周期的控制目标值；以及 比较装置，用于比较所述两个轴的即时位置与所述当前控制周期的所述控制目标值，并根据比较的结构生成一个控制信号， 其中所述控制设备根据所述控制信号对所述两个伺服执行机构进行控制。
根据本发明的一个进一步的方面，上述控制基准发生装置进一步包括 候选基准值发生部分，用于计算 Fi+x＝Fi-Ye，其对应于两个轴中的第一轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态； Fi+y＝Fi+Xe，其对应于两个轴中的第二轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态； Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，其对应于两个轴各从各自的当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态； 其中，Xe和Ye分别为两个轴的控制目标，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一控制对象的当前位置，Yi表示所述第二控制对象的当前位置； 以及 控制目标值确定部分，用于比较Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的绝对值大小，并取与Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中绝对值最小者所对应的所述状态，作为所述当前控制周期的所述控制目标值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于实现两个轴的同步移动的伺服系统，包括分别用于驱动所述两个轴的位移的两个伺服执行机构；一个控制设备，用于控制所述两个伺服执行机构，其特征在于所述控制设备进一步包括 控制基准发生装置，用于根据一个当前控制周期开始时所述两个对象的当前位置(Xi和Yi)，确定所述当前控制周期的控制目标值；以及 比较装置，用于比较所述两个轴的即时位置与所述当前控制周期的所述控制目标值，并根据比较的结构生成一个控制信号， 其中所述控制设备根据所述控制信号对所述两个伺服执行机构进行控制。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于实现两个轴的同步移动的伺服方法，其特征在于包括控制基准发生步骤，其根据一个当前控制周期开始时所述两个对象的当前位置(Xi和Yi)，确定所述当前控制周期的控制目标值；比较步骤，其比较所述两个对象的即时位置与所述当前控制周期的所述控制目标值，并根据比较的结构生成一个控制信号，控制步骤，其根据所述控制信号对分别用于驱动所述两个对象的两个伺服执行机构进行控制。
根据本发明的一个进一步的方面，上述控制基准发生步骤进一步包括 候选基准值发生步骤，其计算 Fi+x＝Fi-Ye，它对应于两个轴中的第一轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态； Fi+y＝Fi+Xe，它对应于两个轴中的第二轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态； Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，它对应于两个控制对象各从各自的当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态； 其中，Xe和Ye分别为两个轴的控制目标，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一轴的当前位置，Yi表示所述第二轴的当前位置； 以及 控制目标值确定步骤，其比较Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的绝对值大小，并取与Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中绝对值最小者所对应的所述状态，作为所述当前控制周期的所述控制目标值。
图1是本发明的位置同步控制示意图； 图2是本发明的速度同步控制示意图。
具体实施例方式 以下描述本发明的两平行轴同步移动伺服系统的控制设备和控制方法的技术方案的具体实施方式
。
把两个伺服对象的初始点作为X-Y坐标平面的原点O，将两对象中的第一个的位移作为X轴，另外一根看作Y轴，在XOY平面从零点起插补斜率为1的直线。该直线在两轴上的投影相等且等于同步运动的目标位置，实现两轴的位置同步；采用数控插补直接搜索法，在同一个插补周期内两轴的位移相等，实现两轴速度同步，具体包括以下步骤 (1)将控制开始时两轴的位置分别作为两轴的同步起点，一般情况下两轴的同步起点取为与某一参考基准平行(但本发明不限于平行的情况)； (2)采用直接搜索法实现位置同步 目标直线方程的判别方程为F＝yXe-xYe，其中 Xe＝第一对象的位移距离/控制周期总数N Ye＝第二对象的位移距离/控制周期总数N 控制周期总数N的选择，决定了伺服系统所实现的控制精度，而N的取值上限，即伺服系统的精度上限。
设第i个插补周期开始时两轴的坐标为(Xi，Yi)，判别值为Fi＝YiXe-XiYe，，向+X方向插补一步得Fi+x＝Fi-Ye，向+Y方向插补一步得Fi+y＝Fi+Xe，向+X、+Y方向插补一步Fi+1，j+1＝Fi，j+Xe-Ye得Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye， 比较Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的绝对值，取与其中最小者对应的点作为下一个插补点，即当前的位置移动周期里反馈控制的目标值。
例如，在第一个插补周期开始，原点(0，0)，向+X、+Y方向插补一步F0+x+y＝+Xe-Ye，那么点(Ye，Xe)作为下一个插补点，即当前位移伺服周期里反馈控制的目标值。
由于控制对象的当前值是上一步按偏差最小的方向搜索后计算获得的，如果起始点在原点位置，按照理想的最小偏差一步一步走下去，所有的控制中间点都在45度直线上；如此，依次类推(2Ye，2Xe)，(3Ye，3Xe)，....作为下一个插补点，最后到达终点(N*Ye，，N*Xe)，从原点到终点的轨迹向两个坐标轴X、Y投影，投影大小都为N*Xe，从而实现位置同步； 但是，在实际操作中，由于受到实际负载或者电机特性等的影响，有可能会出现中间控制点偏离给定值，那么下一个中间插补点计算时是以当前实际的(可能偏离45度直线的)位置值来计算的。因而，有可能出现选择向+X方向插补一步或向+Y方向插补一步的操作周期(而不是向+X、+Y方向插补一步的操作)，以使控制点回归45度直线。
可以理解的是，在向+X方向插补一步或向+Y方向插补一步的操作周期里，两轴的位移是不同步的，具体说就是一个轴移动而另一个轴保持不动。但这种不同步只是微观的、局部的和暂时的，其不仅不影响两轴同步的宏观总体效果，而且恰恰是补偿由于实际负载或者电机特性的影响而产生的偏离同步的偏差以获得总体的宏观位置同步效果所必需的措施。
(3)实现速度同步 在第一个插补周期T起始点(0，0)，终点(N*Ye，N*Xe)，X轴速度Vx＝Ye/T，Y轴速度Vy＝Xe/T，故X轴与Y轴速度相同。
在理想情况下，在第二个插补周期T起点(Ye，Xe)，终点(2*Ye，2*Xe)，X轴速度Vx＝Ye/T，Y轴速度Vy＝Xe/T，故X轴与Y轴速度相同， 依次类推，在每个插补周期内，X轴与Y轴速度相等，从而实现速度同步。
与位置同步同样地，在实际操作中，由于受到实际负载或者电机特性等的影响，有可能会出现中间控制点偏离给定值，那么下一个中间插补点计算时是以当前实际的(可能偏离45度直线的)位置值来计算的。因而，有可能出现选择向+X方向插补一步或向+Y方向插补一步的操作周期(而不是向+X、+Y方向插补一步的操作)，以使控制点回归45度直线。
同样可以理解的是，在向+X方向插补一步或向+Y方向插补一步的操作周期里，两轴的速度是不同步的，具体说就是一个轴移动(速度非零)而另一个轴保持不动(速度为零)。但这种不同步只是微观的、局部的和暂时的，其不仅不影响两轴速度同步的宏观总体效果，而且恰恰是补偿由于实际负载或者电机特性的影响而产生的偏离速度同步的偏差以获得总体的宏观速度同步效果所必需的措施。
从控制理论和实践的意义上讲，“伺服对象”可以是伺服驱动装置的驱动输出部分(如伺服电机的输出轴)，也可以是控制系统所作用于的最终对象，如转台、升降台等，也可以是和该最终对象机械耦合的任何部分。相应地，作为反馈信号发生装置的测量装置，可以以伺服驱动装置的驱动输出部分作为其测量对象，也可以以上述最终对象，或和该最终对象机械耦合的任何部分，作为其测量对象。这些均取决于伺服系统的具体设计，而且是本领域的人员所熟知的。
上述的两平行轴对象位置和速度同步控制的方法，两平行轴的跨距不受任何机械结构的限制，可以解决同步位置和速度的大跨距难题。
更进一步地，可以先采用量具标定两平行轴的初始同步位置，所述量具可以是游标卡尺，其精度±0.01mm，初始误差小。在一个具体实施例中，对于第一轴，利用量具量取其离基准的距离；对于第二轴，同样利用量具量取其离基准的距离；实际运行过程中，位置精度不受影响。同步控制过程中，精度几乎完全取决于初始误差，便于操作和施工。
本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在 本发明两平行轴位置速度同步控制的方法，把两平行轴位置的起始点作为两轴的零位，两轴按平面插补的方式运动的目标轨迹是在第一象限斜率为1的直线，采用直接搜索法进行插补运算，最终轨迹在两轴上的投影距离相等，达到两轴位置同步，在同一个插补周期内两轴运动位移相等，达到两轴速度。直接搜索法插补斜率为1的直线，最大限度地避免了插补周期内的误差。与现有技术相比，不设置主动被动轴，能充分达到位置同步和速度同步，可在普通运动卡上成功获得实现，产生良好的实际意义，社会经济效益显著。
在实际操作中，可以使用量具确定同步位置的零点，两平行轴同步运动前都有一个起始位置，起始位置一般在机械基准上或者离基准有一定距离，如果起始位置离基准有一定距离，那么可以采用游标卡尺等量具标定好两轴的起始位置，然后把标定的位置作为同步运动的零点。
本发明技术方案采用直接搜索法作为同步运动的核心方法，直接搜索法计算在X、Y和斜率为1的三个方向各走一步，哪一步的终点离理想轨迹最近，哪一步就作为下一个插补点。同步运动插补斜率为1的直线，本发明的方案比现有技术有显著的优越性。
以上仅是结合本发明的具体应用范例对本发明进行了描述，这种描述是说明性的而非限定性的。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1、用于实现两个平行轴的同步移动的伺服系统的控制设备，所述伺服系统包括
分别用于驱动所述两个平行轴的位移的两个伺服执行机构；
所述控制设备，用于控制所述两个伺服执行机构，
其特征在于所述控制设备进一步包括
控制基准发生装置，用于根据一个当前控制周期开始时所述两个对象的当前位置(Xi和Yi)，确定所述当前控制周期的控制目标值；以及
比较装置，用于比较所述两个对象的即时位置与所述当前控制周期的所述控制目标值，并根据比较的结构生成一个控制信号，
其中所述控制设备根据所述控制信号对所述两个伺服执行机构进行控制。
2.根据权利要求1的控制设备，其特征在于所述控制基准发生装置进一步包括
候选基准值发生部分(模块)，用于计算
Fi+x＝Fi-Ye，其对应于两个轴中的第一轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
Fi+y＝Fi+Xe，其对应于两个轴中的第二轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，其对应于两个轴各从各自的当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
其中，Xe和Ye分被为第一轴和第二轴同步控制目标，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一控制对象的当前位置，Yi表示所述第二控制对象的当前位置；
以及
控制目标值确定部分，用于比较Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的绝对值大小，并取与Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中绝对值最小者所对应的所述状态，作为所述当前控制周期的所述控制目标值。
3.根据权利要求1的控制设备，其中所述伺服系统进一步包括
位置检测装置，用于检测所述两个对象的当前位置(Xi和Yi)。
4、用于实现两个平行轴的同步移动的伺服系统，包括
分别用于驱动所述两个平行轴的位移的两个伺服执行机构；
一个控制设备，用于控制所述两个伺服执行机构，
其特征在于所述控制设备进一步包括
控制基准发生装置，用于根据一个当前控制周期开始时所述两个轴的当前位置(Xi和Yi)，确定所述当前控制周期的控制目标值；以及
比较装置，用于比较所述两个对象的即时位置与所述当前控制周期的所述控制目标值，并根据比较的结构生成一个控制信号，
其中所述控制设备根据所述控制信号对所述两个伺服执行机构进行控制。
5.根据权利要求4的伺服系统，其特征在于所述控制基准发生装置进一步包括
候选基准值发生部分，用于计算
Fi+x＝Fi-Ye，其对应于两个轴中的第一轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
Fi+y＝Fi+Xe，其对应于两个轴中的第二轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，其对应于两个控制对象各从各自的当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
其中，Xe和Ye分别为第一个轴和第二个轴同步控制目标，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一控制对象的当前位置，Yi表示所述第二控制对象的当前位置；
以及
控制目标值确定部分，用于比较Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的绝对值大小，并取与Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中绝对值最小者所对应的所述状态，作为所述当前控制周期的所述控制目标值。
6.根据权利要求4的伺服系统，进一步包括
位置检测装置，用于检测所述两个对象的当前位置(Xi和Yi)。
7、实现两个平行轴的同步移动的伺服方法，其特征在于包括
控制基准发生步骤，其根据一个当前控制周期开始时所述两个对象的当前位置(Xi和Yi)，确定所述当前控制周期的控制目标值；
比较步骤，其比较所述两个对象的即时位置与所述当前控制周期的所述控制目标值，并根据比较的结构生成一个控制信号，
控制步骤，其根据所述控制信号对分别用于驱动所述两个对象的两个伺服执行机构进行控制。
8.根据权利要求7的伺服方法，其特征在于所述控制基准发生步骤进一步包括
候选基准值发生步骤，其计算
Fi+x＝Fi-Ye，它对应于两个轴中的第一轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
Fi+y＝Fi+Xe，它对应于两个轴中的第二轴从当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
Fi+x+y＝Fi+Xe-Ye，它对应于两个轴各从各自的当前位置向其控制目标位置移动一个控制周期对应的移动距离的状态；
其中，Xe/Ye等于所述第一轴的伺服位移距离与所述第二轴的伺服位移距离之比，Fi＝YiXe-XiYe，Xi表示所述第一轴的当前位置，Yi表示所述第二轴的当前位置；
以及
控制目标值确定步骤，其比较Fi+x、Fi+y、Fi+x+y的绝对值大小，并取与Fi+1，j、Fi，j+1、Fi+1，j+1中绝对值最小者所对应的所述状态，作为所述当前控制周期的所述控制目标值。
9.根据权利要求7的伺服方法，进一步包括
位置检测步骤，其检测所述两个轴的当前位置(Xi和Yi)。
全文摘要
本发明提供一种两平行轴位置速度同步控制的算法，利用量具标定两平行轴的初始同步位置，并把对应的两个初始点作为两个轴的零点，采用直接搜索法，将两平行轴中的一根看作X轴，另外一根看作Y轴，在XOY平面插补斜率为1的直线，直线在两轴上的投影相等，实现两轴的位置同步，按直接搜索法，在同一个插补周期内两轴的位移相等，实现两轴速度同步。本发明技术方案实现大跨距两平行轴采用两伺服电机单独驱动在速度和位置上同步运行，不设置主动被动轴，充分达到位置同步和速度同步，可在普通运动控制卡上成功获得实现，具有极好的实际意义。
文档编号G05B19/18GK101581925SQ200810111789
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月16日 优先权日2008年5月16日
发明者伟 王, 刘相权, 赵雪峰, 超 贠 申请人:北京航空航天大学