一种高精度主从双位置环同步控制系统及方法与流程

1.本发明属于自动化控制技术领域，特别是一种高精度主从双位置环同步控制系统及方法。


背景技术：

2.竖着现代自动化控制技术的迅猛发展，应用领域的不断拓宽，单台电机驱动在某些场合已经不能满足现代化生产的需要。在许多现代制造业中，高精度多电机同步控制成为核心的问题之一，它的控制性能直接决定了整个加工设备的生产水平。多电机同步控制技术在工业领域的应用已经成为自动化生产的一种发展趋势。
3.对于一些需要使用双电机共同驱动一个负载传动系统的场合，尤其是两台电机之间没有刚性连接，比如双链条或双电动缸，如果两台电机运转过程中实际位置不一致，达到一定程度就会引起双链条扭曲甚至卡死，如果是电动缸的话会造成设备损坏，因此就需要考虑对两台电机进行同步控制。
4.现有的同步技术一般是由主控制器同时对两台驱动器发同样的位置指令，由于不存在刚性连接，系统受电机力矩波动、传动系统的摩擦力矩波动等非线性因素影响，致使同步性能不是很好，虽然可以外加一些补偿技术，但是因为难以做到实时精确修正，两台电机的位置同步性不受控制，位置差具有随机性，效果并不是很好。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种精度高的主从双位置环同步控制系统及方法。
6.实现本发明能够目的的技术解决方案为：一种高精度主从双位置环同步控制系统，包括上位机、主机、主机位置环轨迹发生器、主机速度环、主机位置环、主电机、主pid调节程序、从机、从机位置环轨迹发生器、从机速度环、从机位置环、从电机、从pid调节程序、spi串行外设接口；
7.所述上位机发出控制指令，主机通过主机位置轨迹发生器计算出累加产生距离，并将累加产生距离通过spi发送给从机；主pid调节程序生成速度给定发送至主机速度环控制主电机转动，从pid调节程序生成速度给定发送至从机速度环控制从电机转动；主机位置环和从机位置环实时判断主从机的当前位置之差，当主从机的位置差超过设定阈值时，主机和从机停机。
8.进一步地，所述主机位置环轨迹发生器、从机位置环轨迹发生器用于根据位置反馈值pos_fb和位置给定值target_pos，以限定的加速度和速度，产生pid调节所需要的位置命令。
9.进一步地，所述主pid调节程序和从pid调节程序，用于计算出速度给定输出到速度环，从而控制电机运行。
10.进一步地，所述主机位置环轨迹发生器、从机位置环轨迹发生器计算位置命令的方法具体为：在每一个定时器周期内，加速度a的累加产生速度v，速度v的累加产生距离，即
位置命令。
11.进一步地，主从机位置环同步的控制方法具体如下：
12.情况一：当主机和从机都没有报故或者只有主机报故时，主机位置环运行轨迹发生器程序和pid调节程序，而从机位置环只运行pid调节程序，主机发送它的位置命令pos_cmd给从机，从机和主机的位置命令pos_cmd相同，通过同步位置命令pos_cmd使从机跟随主机，从机和主机的位置环控制得到同步；
13.情况二：当只有从机报故时，主机位置环只运行pid调节程序，从机位置环运行轨迹发生器程序和pid调节程序，从机发送它的位置命令pos_cmd给主机，主机和从机的位置命令pos_cmd相同，通过同步位置命令pos_cmd使主机跟随从机，主机和从机的位置环控制得到同步。
14.进一步地，所述主机和从机通过spi通讯进行位置同步，且通讯周期远小于位置环的运行周期，保证主机和从机的位置命令pos_cmd最大误差只相差一个位置环周期，并且位置环运行周期越小，则主机和从机的位置命令pos_cmd误差越小，实现位置环同步控制。
15.进一步地，主从位置环同步控制软件流程为：
16.当主机接收到上位机的位置给定目标位置target_pos时，通过主机环轨迹发生器程序生成位置命令pos_cmd
主
，同时位置命令pos_cmd
主
通过spi发送给从机，主机和从机分别运行pid调节程序，都将pos_cmd
主
作为输入，经过pid调节计算后输出速度给定给速度环控制电机运行；从机通过spi发送从机的位置反馈pos_fb
从
给主机，主机实时判断主从机的当前位置之差，当主从机的位置差超过设定阈值时，主机报主从异步故障，主机和从机都将各自停机。
17.进一步地，所述主机和从机的同步过程，具体如下：
18.如果主机和从机没有任何故障，当主机到达目标位置时，从机也到达目标位置，到此位置同步结束；
19.如果主机发生故障，主机停机的同时继续将主机位置命令pos_cmd
主
发送给从机，从机跟随主机停机；
20.如果从机发生故障，从机停机的同时会将从机位置命令pos_cmd
从
发送给主机，主机跟随从机停机。
21.进一步地，所述同步过程能保证当有故障发生停机动作时，主机和从机的当前位置还能继续保持同步。
22.一种高精度主从双位置环同步控制方法，包括以下步骤：
23.步骤1、主机和从机初始化，主机等待上位机指令；
24.步骤2、当主机接收到上位机的位置给定目标位置target_pos时，通过主机环轨迹发生器程序生成位置命令pos_cmd
主
，同时位置命令pos_cmd
主
通过spi发送给从机，
25.步骤3、主机和从机分别运行pid调节程序，都将位置命令pos_cmd
主
作为输入，经过pid调节计算后输出速度给定给速度环；
26.步骤4、主机通过主机速度环驱动主电机转动，从机通过从机速度环驱动从电机转动；
27.步骤5、运行过程中，主机持续通过主机环轨迹发生器程序生成位置命令pos_cmd
主
，同时位置命令pos_cmd
主
通过spi发送给从机，从机通过同步位置命令pos_cmd使从机
跟随主机，从机和主机的位置环控制得到同步；
28.步骤6、从机通过spi发送从机的位置反馈从机位置反馈值pos_fb
从
给主机，主机实时判断主从机的当前位置之差，当主从机的位置差超过设定阈值时，主机报主从异步故障，主机停机的同时继续将主机位置命令pos_cmd
主
发送给从机，从机跟随主机停机；
29.步骤7、从机发生故障，从机停机的同时会将从机位置命令pos_cmd
从
发送给主机，主机跟随从机停机；
30.步骤8、当主机接收到上位机的停机指令后，通过spi发送停机指令给从机，主机和从机停机。
31.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)主机和从机通过spi通讯，且通讯周期远小于位置环的运行周期，保证了主机和从机的位置最大误差只相差一个位置环周期，而且位置环运行周期越小，主机和从机的位置误差就越小，提高了位置环同步控制的精度；(2)保证了两台电机运转过程中实际位置的一致性，杜绝了双链条扭曲甚至卡死和电动缸的设备损坏问题，提高了系统的安全性。
附图说明
32.图1是本发明一种高精度主从双位置环同步控制方法的流程示意图。
33.图2为本发明中主从位置环同步控制软件的流程示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步的详细说明。
35.结合图1、图2，本发明一种高精度主从双位置环同步控制系统，包括上位机、主机、主机位置环轨迹发生器、主机速度环、主机位置环、主电机、主pid调节程序、从机、从机位置环轨迹发生器、从机速度环、从机位置环、从电机、从pid调节程序、spi串行外设接口；
36.所述上位机发出控制指令，主机通过主机位置轨迹发生器计算出累加产生距离，并将累加产生距离通过spi发送给从机；主pid调节程序生成速度给定发送至主机速度环控制主电机转动，从pid调节程序生成速度给定发送至从机速度环控制从电机转动；主机位置环和从机位置环实时判断主从机的当前位置之差，当主从机的位置差超过设定阈值时，主机和从机停机。
37.进一步地，所述主机位置环轨迹发生器、从机位置环轨迹发生器用于根据位置反馈值pos_fb和位置给定值target_pos，以限定的加速度和速度，产生pid调节所需要的位置命令。
38.进一步地，所述主pid调节程序和从pid调节程序，用于计算出速度给定输出到速度环，从而控制电机运行。
39.进一步地，所述主机位置环轨迹发生器、从机位置环轨迹发生器计算位置命令的方法具体为：在每一个定时器周期内，加速度a的累加产生速度v，速度v的累加产生距离，即位置命令。
40.进一步地，主从机位置环同步的控制方法具体如下：
41.情况一：当主机和从机都没有报故或者只有主机报故时，主机位置环运行轨迹发生器程序和pid调节程序，而从机位置环只运行pid调节程序，主机发送它的位置命令pos_
cmd给从机，从机和主机的位置命令pos_cmd相同，通过同步位置命令pos_cmd使从机跟随主机，从机和主机的位置环控制得到同步；
42.情况二：当只有从机报故时，主机位置环只运行pid调节程序，从机位置环运行轨迹发生器程序和pid调节程序，从机发送它的位置命令pos_cmd给主机，主机和从机的位置命令pos_cmd相同，通过同步位置命令pos_cmd使主机跟随从机，主机和从机的位置环控制得到同步。
43.进一步地，所述主机和从机通过spi通讯进行位置同步，且通讯周期远小于位置环的运行周期，保证主机和从机的位置命令pos_cmd最大误差只相差一个位置环周期，并且位置环运行周期越小，则主机和从机的位置命令pos_cmd误差越小，以此保证高精度的位置环同步控制。
44.进一步地，主从位置环同步控制软件流程为：
45.当主机接收到上位机的位置给定目标位置target_pos时，通过主机环轨迹发生器程序生成位置命令pos_cmd
主
，同时位置命令pos_cmd
主
通过spi发送给从机，主机和从机分别运行pid调节程序，都将pos_cmd
主
作为输入，经过pid调节计算后输出速度给定给速度环控制电机运行；从机通过spi发送从机的位置反馈pos_fb
从
给主机，主机实时判断主从机的当前位置之差，当主从机的位置差超过设定阈值时，主机报主从异步故障，主机和从机都将各自停机。
46.进一步地，所述主机和从机的同步过程，具体如下：
47.如果主机和从机没有任何故障，当主机到达目标位置时，从机也到达目标位置，到此位置同步结束；
48.如果主机发生故障，主机停机的同时继续将主机位置命令pos_cmd
主
发送给从机，从机跟随主机停机；
49.如果从机发生故障，从机停机的同时会将从机位置命令pos_cmd
从
发送给主机，主机跟随从机停机。
50.进一步地，所述同步过程能保证当有故障发生停机动作时，主机和从机的当前位置还能继续保持同步。
51.一种高精度主从双位置环同步控制方法，包括以下步骤：
52.步骤1、主机和从机初始化，主机等待上位机指令；
53.步骤2、当主机接收到上位机的位置给定目标位置target_pos时，通过主机环轨迹发生器程序生成位置命令pos_cmd
主
，同时位置命令pos_cmd
主
通过spi发送给从机，
54.步骤3、主机和从机分别运行pid调节程序，都将位置命令pos_cmd
主
作为输入，经过pid调节计算后输出速度给定给速度环；
55.步骤4、主机通过主机速度环驱动主电机转动，从机通过从机速度环驱动从电机转动；
56.步骤5、运行过程中，主机持续通过主机环轨迹发生器程序生成位置命令pos_cmd
主
，同时位置命令pos_cmd
主
通过spi发送给从机，从机通过同步位置命令pos_cmd使从机跟随主机，从机和主机的位置环控制得到同步；
57.步骤6、从机通过spi发送从机的位置反馈从机位置反馈值pos_fb
从
给主机，主机实时判断主从机的当前位置之差，当主从机的位置差超过设定阈值时，主机报主从异步故障，
主机停机的同时继续将主机位置命令pos_cmd
主
发送给从机，从机跟随主机停机；
58.步骤7、从机发生故障，从机停机的同时会将从机位置命令pos_cmd
从
发送给主机，主机跟随从机停机；
59.步骤8、当主机接收到上位机的停机指令后，通过spi发送停机指令给从机，主机和从机停机。
60.综上所述，本发明主机和从机通过spi通讯，且通讯周期远小于位置环的运行周期，保证了主机和从机的位置最大误差只相差一个位置环周期，而且位置环运行周期越小，主机和从机的位置误差就越小，提高了位置环同步控制的精度；保证了两台电机运转过程中实际位置的一致性，杜绝了双链条扭曲甚至卡死和电动缸的设备损坏问题，提高了系统的安全性。