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    摘要：在制造業的某些精密運動控制場合中，因被驅動對象負載較大，采用單伺服軸驅動功率（或力矩）不足，不得不采用雙軸甚至多軸驅動方式。而采用雙軸伺服驅動模式，必然涉及到兩軸的速度（位置）同步和它們的負載分擔問題。本文主要介紹了貝加萊的雙軸同步伺服驅動系統的構成和原理并探討了其模擬測試和調試方法。

1引言——雙軸驅動需求的提出

    雙軸伺服驅動控制模式的提出基于以下需求：在制造業的某些精密驅動控制場合中，因被驅動對象負載較大，采用單伺服軸驅動功率（力矩）不足，不得不采用雙軸甚至多軸驅動方式。

    采用雙軸（或多軸）伺服驅動模式，就涉及到兩軸（或多軸）的瞬時速度和平均速度同步問題和兩軸（或多軸）的負載分擔問題。這兩者之間有著非常密切的關系，它們互相影響，但顯然，速度（位置）同步是必須首先保證的，在這個前提下各軸按其承擔的設定負載運行。

    不過盡可能力求各軸的負載均衡還是必要的，這可以優化伺服驅動裝置的設計功率，以降低投資并節約能源。因為在兩軸（或多軸）伺服驅動系統中，其每臺伺服電機的功率（力矩）通常是按照負荷最大的伺服軸來計算并選型的。

2雙軸驅動的應用場合

    以下是關于雙伺服軸驅動應用的實例：

    （1）針對比較大的全電動注塑機，如果采用1臺電機來驅動合模，其功率不夠，這時需要設置2個軸來驅動，當然這就牽涉到2個軸的速度同步和負載分擔問題。

    （2）在大型橫切機上，有時需要采用2個軸來驅動切刀，這也牽涉到2個軸的速度同步問題，以及力求兩個軸的負載平衡。

    （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動軸都采用過電流同步技術，大大提高了多軸的負載平衡性，充分挖掘了電氣潛能，獲得了更精確、更快速的控制效果。

    其實在大多數情況下，各驅動軸的負載不均衡是客觀存在的，只要不超過任一驅動軸的負荷額定值，兩軸（或多軸）之間的負載不均衡是允許的，因為這不會對被驅動裝置的速度、位置控制精度、力矩和動態性能造成負面影響。

圖1雙軸伺服驅動系統構成方框圖

3雙軸伺服驅動系統的構成和原理

3.1系統構成

    雙軸伺服驅動系統構成方框圖如圖1所示。該系統中，采用一臺控制器通過POWERLINK高速實時以太網，控制軸1和軸2的伺服驅動器，兩臺驅動器分別控制各自的伺服電機M1和M2，驅動同一負載。要求軸1和軸2達到速度同步和負載基本均衡。

3.2系統原理分析

    雙軸伺服驅動系統的簡化原理框圖如圖2所示。

    在該雙軸伺服驅動系統中，軸1和軸2以主從方式協同工作，以軸1為主導，軸2從動。軸1設置了位置環、速度環和電流環三閉環控制器，位置控制的輸出作為速度環的設定值，而速度控制的輸出則作為兩個軸的電流環的設定值，位置反饋信號取自軸1的伺服電機編碼器。軸2則僅設置了電流環。

    這是一個典型的三環串級PID調節系統，位置環和速度環控制是關鍵，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控制器，則保證了系統的機械特性剛度和兩軸的負載均衡度。

圖2系統簡化原理框圖

4模擬測試

4.1負載分離條件下的測試（或無條件連接負載）

    在演示CUBE上測試，條件是兩臺伺服電機沒有固定連接在一起。

4.1.1通過ID325（電流環PID的設定）來控制從軸以電流環模式運行

    前提條件設定：

    （1）ID328=4(驅動器運行在力矩環模式，電流環設定=力矩環設定/力矩常數)

    （2）直接給ID325（力矩環設定賦值）。

    （3）測試力矩環設定值（ID325）：

    從0.01Nm逐漸增加到0.35Nm，低于0.2Nm時，運動不平滑，有時卡頓，增加到0.38Nm時，電機開始轉，并一直加速，直到23.1RPS~23.5RPS之間波動；

    再降低到0.3Nm，得到V=5RPS，偶爾有波動，但是波動速度、范圍比0.38Nm時小很多。

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

    總結：在力矩模式下；通過ID4128來控制力矩設定ID325；啟動電流比運行電流大，但是方案可行。

4.1.2把主軸力矩設定（ID256）數值通過網絡傳送給從軸力矩設定（ID325）來控制從軸將軸1的ID256值，通過網絡傳送到軸2的ID325。

（1）主軸上：

    指令ID484=SCTRL_ISQ_REF,把主軸的速度環輸出（即力矩環設定ID256）發送到網絡上。

（2）從軸上：（純力矩環模式）

    接收網路上，軸1發送來的數據，送到力矩環設定（ID325）；

    指令DI393=1，MA1_CYCLIC_SEND，從網上取站號1的master1數據。

    指令ID325=MA1_CYCLIC_POS（ID542該數是DINT類型，所以任何類型的數，接收到該寄存器后，自動轉為DINT），把取到的數據賦值給力矩環設定（ID325）。

（3）測試情況：

    ●啟動主軸，從軸也跟著轉了；停止主軸，從軸也停止了。從軸會跟隨主軸電流大小在啟停。

    ●主軸在轉，但是從軸需要手動推一下才轉甚至推一下也轉不起來。這是因為主軸負載小，從軸負載大，從軸啟動需要的電流大。

    ●主軸停下來了，從軸還在轉甚至超速。是因為主軸負載大，從軸負載小。小電流啟動不了主軸，卻可以帶動從軸。關于后面兩點，當主、從軸帶同一個負載時，這些問題不存在。

（4）關于二拖一的其它注意事項

    ●設備工藝只與主軸相關，從軸相對獨立，只是取主軸速度環輸出（ID256，也是力矩設定）值，賦值給從軸力矩設定(ID325)即可。

    ●如果主軸力矩附加軸已賦值，則需把力矩之和發送到網上。

    ●因為有從軸適時介入，因此主軸的速度、位置環PID需要在從軸工作時自動整定，這些PID參數應該和從軸不介入的PID參數不一樣。

    上述測試在主軸電機突然改變方向的情況下，從軸均可以立即跟隨。

4.2連接負載條件下的測試

    該方法在硅棒切片機（兩軸承擔指定負載，一般差2~3Nm）、硅鋼片橫剪線、大卷裝等采用雙軸伺服驅動的裝置上都得到了應用，可以有效地分配電機負荷，滿足位置和速度控制精度要求，電機的規格可以精確配置而無須保留過多余量。

    大卷裝（兩軸平均分配負載）如圖3所示。

圖3大卷裝（帶負載，兩端各由一個伺服軸驅動）

5結論

    通過以上研究和測試，得出以下結論，并提出了相關意見。

    （1）從軸只相當于一個電流環的信號放大器，無需整定PID參數。

    （2）整個項目工藝只需考慮主軸的運動控制，無需考慮從軸的情況，從軸只影響主軸的位置環、速度環的PID參數。

    （3）當整定主軸的PID參數時，必須使從軸處于跟隨主軸力矩狀態，否則參數不準確。

    （4）需要考慮異常情況，比如主軸故障停機時，應使從軸也立即停車。

    （5）從軸可用虛擬編碼器模式（節省一個編碼器）。

    （6）盡量使用雙軸模塊，兩個軸在一個驅動器CPU上控制，第一個通道的扭矩設定結果通過Crosslink給第二個通道，沒有任何延時的。而通過網絡最短也有1.2ms延時（2倍網絡時間+驅動器CPU周期）。

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

    （8）當多個規格（功率或力矩）不同的伺服軸帶同一負載時，可根據各自的功率按比例分配負載也是可行的。