控制同步（工控技術(shù)之一）

基礎(chǔ)概念

同步控制是一種常用到的工控技術(shù)，同步，顧名思義就是要按照一定比率來(lái)協(xié)調(diào)主機(jī)和從機(jī)之間的位置、轉(zhuǎn)速、扭矩等量。

多臺(tái)電機(jī)的同步運(yùn)行問(wèn)題應(yīng)用較為廣泛，尤其在多單元生產(chǎn)流水線中及驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載時(shí)居多，但對(duì)具體的應(yīng)用，會(huì)有不同的要求。若采用變頻器及相關(guān)配套產(chǎn)品，可較有效地實(shí)現(xiàn)不同功能。這里說(shuō)的配套產(chǎn)品包括：控制電器、變頻器輔助選件、傳感器、

同步控制

所謂同步控制，就是一個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)指令能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)量的檢測(cè)，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補(bǔ)償。其目的是將主、從兩個(gè)電動(dòng)機(jī)之間的位移偏差量控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。同步控制一般可分為以下幾類。

1）系統(tǒng)中各軸的運(yùn)動(dòng)速度或位移量在瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)都能夠保持同步，這是通常狹義上對(duì)于同步的理解，也是最為簡(jiǎn)單的一類。以常見(jiàn)的雙軸系統(tǒng)為例，該種情況下角位移同步誤差

2）多軸系統(tǒng)中的各運(yùn)動(dòng)軸以一定的比例關(guān)系運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，并非所有場(chǎng)合都需要每個(gè)軸以相同速度運(yùn)動(dòng)。更一般的情況是要求各運(yùn)動(dòng)軸相互協(xié)調(diào)運(yùn)行。假設(shè)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)軸1、2的輸出角速度為

3）另外，還存在一種較為特殊的同步類型，它要求運(yùn)動(dòng)軸之間的輸出速度保持一個(gè)恒定差值。該種同步在機(jī)器人控制、數(shù)控設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用中較為常見(jiàn)。

工作原理

同步控制器一般有兩類。一類是和張力系統(tǒng)連同一起來(lái)使用的，張力控制器也是一種同步控制器件，這類型的同步是以轉(zhuǎn)速和扭矩等量的同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的；

另一類是空間定位控制器，就是位置同步，一般應(yīng)用于機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床，飛剪等系統(tǒng)的軸間聯(lián)動(dòng)使用，是一種軸間的位置跟蹤定位。

目前同步控制器有嵌入式設(shè)定參數(shù)的，也有直接可編程類的，隨著技術(shù)的發(fā)展，可編程類的應(yīng)用慢慢超過(guò)了前者，代表者同步技術(shù)的發(fā)展方向，它可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線等通訊技術(shù)和其他設(shè)備進(jìn)行連接和操作。

變頻器本身就是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，每一種型號(hào)的變頻器通常適合驅(qū)動(dòng)特定性質(zhì)的負(fù)載。而對(duì)于相同負(fù)載性質(zhì)的不同應(yīng)用需求，希望能夠調(diào)整變頻器參數(shù)以滿足工藝要求。因此，各種型號(hào)的變頻器都為用戶提供了變頻器參數(shù)調(diào)整的手段。參數(shù)調(diào)整的方法可以通過(guò)配套的操作面板手動(dòng)離線進(jìn)行，也可以通過(guò)通信的方法在線進(jìn)行。

同步控制方式

同步控制方式是指各項(xiàng)操作由統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行同步控制。這就意味著各個(gè)微操作必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，到達(dá)規(guī)定時(shí)間自動(dòng)執(zhí)行后繼的微操作。

根據(jù)不同情況，同步控制方式可以選取如下方案：

1.采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期（或節(jié)拍）執(zhí)行各種不同的指令，即不管微操作的繁簡(jiǎn)，以最復(fù)雜的微操作為標(biāo)準(zhǔn)，采取統(tǒng)一的，具有相同時(shí)間間隔和相同數(shù)目的節(jié)拍作為機(jī)器周期。對(duì)于那些比較簡(jiǎn)單的微操作，將造成時(shí)間浪費(fèi)。

2.采用不同節(jié)拍的機(jī)器周期，以解決微操作執(zhí)行所需要時(shí)間不統(tǒng)一的問(wèn)題。通常把大多數(shù)微操作安排在一個(gè)比較短時(shí)間的機(jī)器周期內(nèi)完成，而對(duì)于某些比較復(fù)雜的微操作，則采取延長(zhǎng)機(jī)器周期或者增加節(jié)拍的辦法解決。

3.采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法。將機(jī)器的大部分指令安排在一個(gè)統(tǒng)一的比較短的機(jī)器周期內(nèi)完成，稱為中央控制，而將少數(shù)操作復(fù)雜的指令中的某些微操作另外處理稱為局部控制。

多軸同步控制

多軸同步控制，又稱多軸系統(tǒng)同步控制，指在大多數(shù)多軸傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中，使各軸之間保持一定的同步運(yùn)行關(guān)系。多軸系統(tǒng)是非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)。多軸同步控制的主要性能指標(biāo)有：速度比例同步、位置（或角度）同步和絕對(duì)值誤差小于某限幅值。

多軸同步控制是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，是電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它的發(fā)展與其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展是密切聯(lián)系在一起的。

保證多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的常用方法主要分為兩大類：機(jī)械方式和電氣方式。

機(jī)械式同步出現(xiàn)較早，它主要通過(guò)在運(yùn)動(dòng)軸之間添加物理連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法往往使用一臺(tái)大功率電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，并通過(guò)齒輪、鏈條、皮帶等機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。改變這些機(jī)械環(huán)節(jié)的特性，就可以使整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)速等參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)變化。在工作時(shí)，如果某個(gè)從運(yùn)動(dòng)軸的負(fù)載受到擾動(dòng)，該擾動(dòng)將會(huì)通過(guò)機(jī)械環(huán)節(jié)傳遞給主軸，從而改變主軸的輸出。由于主軸和從軸之間均存在機(jī)械連接，因此其它從動(dòng)軸的輸出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而起到同步控制的效果。

從機(jī)械式同步控制方法的實(shí)現(xiàn)原理可知，該方法具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在以下不足：

1）由于機(jī)械式同步一般只使用單一的動(dòng)力元件，導(dǎo)致各從軸所分配到的功率相對(duì)較小，限制了它們帶動(dòng)負(fù)載的能力；

2）機(jī)械同步系統(tǒng)中的傳動(dòng)環(huán)節(jié)一般采用接觸式連接，工作時(shí)所產(chǎn)生的摩擦不僅會(huì)造成能量的損耗，還會(huì)磨損傳動(dòng)零部件，影響同步性能，縮短系統(tǒng)使用壽命，不利于維護(hù)保養(yǎng)；

3）由于采用機(jī)械式連接，該種同步方法的結(jié)構(gòu)比較固定，參數(shù)不易調(diào)節(jié)。若需要對(duì)其做出修改，則必須增加或者移去某些機(jī)械零部件，操作較為繁瑣。另外機(jī)械連接也會(huì)受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離同步控制。

隨著科技的進(jìn)步，尤其是伺服數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，科研人員提出了電氣式同步控制方法，有效解決了機(jī)械式同步所存在的問(wèn)題。電氣式同步控制主要由一個(gè)核心控制器以及與其相連的若干個(gè)子單元組成，每個(gè)子單元都有一個(gè)獨(dú)立電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軸。設(shè)計(jì)人員通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)程序，使得各子單元在核心控制器的協(xié)調(diào)下工作，保證運(yùn)動(dòng)軸的同步運(yùn)行。由于每個(gè)軸都由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此該種方法帶動(dòng)負(fù)載的能力有了顯著提高，且簡(jiǎn)化了設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)精度更高，同步性更好的控制。電氣式同步涉及到了很多學(xué)科的綜合知識(shí)，具有巨大的發(fā)展前景，可以在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。