[科普中国]-控制同步

概念

同步控制是和异步控制相对而言的，同步控制的led显示屏在发布和更新内容时，和控制电脑的显示器内容一致，电脑一旦关机则显示屏相应也要关闭。异步控制系统的则不用，一旦发布好内容，连接显示屏的控制电脑关了之后并不影响显示屏的发布。

同步控制是一种常用到的工控技术，同步，顾名思义就是要按照一定比率来协调主机和从机之间的位置、转速、扭矩等量。

多台电机的同步运行问题应用较为广泛，尤其在多单元生产流水线中及驱动同一负载时居多，但对具体的应用，会有不同的要求。若采用变频器及相关配套产品，可较有效地实现不同功能。这里说的配套产品包括：控制电器、变频器辅助选件、传感器、PLC等。

控制同步所谓同步控制，就是一个坐标的运动指令能够驱动两个电动机同时运行，通过对这两个电动机移动量的检测，将位移偏差反馈到数控系统获得同步误差补偿。其目的是将主、从两个电动机之间的位移偏差量控制在一个允许的范围内。同步控制一般可分为以下几类。

1）系统中各轴的运动速度或位移量在瞬态或稳态都能够保持同步，这是通常狭义上对于同步的理解，也是最为简单的一类。以常见的双轴系统为例，该种情况下角位移同步误差 Δθ 可由以下公式求得：

其中，分别为运动轴 1 和 2 的角位移和角速度。由上式可知，若在某个阶段Δω 始终为零，则 Δθ 也为零。但假设系统因为外界干扰等原因导致 Δθ 发生变化，为消除该同步误差，必然要求两个轴以不同的速度运动，从而使得 Δω 偏离零点，即产生速度同步误差。由此可见，虽然多数情况下系统的位置同步需要有速度同步作为前提保障，但在某些时刻，为了实现位置同步，就必须牺牲一定的速度同步性能，此时两者呈现出相互制约的关系。

2）多轴系统中的各运动轴以一定的比例关系运行。在实际应用中，并非所有场合都需要每个轴以相同速度运动。更一般的情况是要求各运动轴相互协调运行。假设系统中运动轴 1、2的输出角速度为那么此时它们应当保持如下关系：

式中，a 即为速度同步系数，通过对该系数的设定与修改，便可实现系统在各种不同场合下的同步运动，这是广义上的同步概念。

3）另外，还存在一种较为特殊的同步类型，它要求运动轴之间的输出速度保持一个恒定差值。该种同步在机器人控制、数控设备等领域的应用中较为常见。

工作原理同步控制器一般有两类。一类是和张力系统连同一起来使用的，张力控制器也是一种同步控制器件，这类型的同步是以转速和扭矩等量的同步来实现的；

另一类是空间定位控制器，就是位置同步，一般应用于机器人，数控机床，飞剪等系统的轴间联动使用，是一种轴间的位置跟踪定位。

目前同步控制器有嵌入式设定参数的，也有直接可编程类的，随着技术的发展，可编程类的应用慢慢超过了前者，代表者同步技术的发展方向，它可以通过现场总线等通讯技术和其他设备进行连接和操作。

变频器本身就是一个计算机控制系统，每一种型号的变频器通常适合驱动特定性质的负载。而对于相同负载性质的不同应用需求，希望能够调整变频器参数以满足工艺要求。因此，各种型号的变频器都为用户提供了变频器参数调整的手段。参数调整的方法可以通过配套的操作面板手动离线进行，也可以通过通信的方法在线进行。

同步控制方式同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制。这就意味着各个微操作必须在规定的时间内完成，到达规定时间自动执行后继的微操作。1

根据不同情况，同步控制方式可以选取如下方案：

1.采用完全统一的机器周期（或节拍）执行各种不同的指令，即不管微操作的繁简，以最复杂的微操作为标准，采取统一的，具有相同时间间隔和相同数目的节拍作为机器周期。对于那些比较简单的微操作，将造成时间浪费。

2.采用不同节拍的机器周期，以解决微操作执行所需要时间不统一的问题。通常把大多数微操作安排在一个比较短时间的机器周期内完成，而对于某些比较复杂的微操作，则采取延长机器周期或者增加节拍的办法解决。

3.采用中央控制和局部控制相结合的方法。将机器的大部分指令安排在一个统一的比较短的机器周期内完成，称为中央控制，而将少数操作复杂的指令中的某些微操作另外处理称为局部控制。

多轴同步控制多轴同步控制，又称多轴系统同步控制，指在大多数多轴传动系统应用中，使各轴之间保持一定的同步运行关系。多轴系统是非线性、强耦合的多输入多输出系统。多轴同步控制的主要性能指标有：速度比例同步、位置（或角度）同步和绝对值误差小于某限幅值。

多轴同步控制是一门跨学科的综合性技术，是电力电子技术、电气传动技术、信息技术、控制技术和机械技术的有机结合，它的发展与其它相关技术的发展是密切联系在一起的。

保证多轴同步协调运动的常用方法主要分为两大类：机械方式和电气方式。

机械式同步机械式同步出现较早，它主要通过在运动轴之间添加物理连接来实现。该方法往往使用一台大功率电机作为动力来源，并通过齿轮、链条、皮带等机械结构实现能量的传递。改变这些机械环节的特性，就可以使整个系统的传动比、转速等参数产生相应变化。在工作时，如果某个从运动轴的负载受到扰动，该扰动将会通过机械环节传递给主轴，从而改变主轴的输出。由于主轴和从轴之间均存在机械连接，因此其它从动轴的输出也会发生相应变化，从而起到同步控制的效果。

从机械式同步控制方法的实现原理可知，该方法具有原理简单、易于实现等优点，但同时也存在以下不足：

1）由于机械式同步一般只使用单一的动力元件，导致各从轴所分配到的功率相对较小，限制了它们带动负载的能力；

2）机械同步系统中的传动环节一般采用接触式连接，工作时所产生的摩擦不仅会造成能量的损耗，还会磨损传动零部件，影响同步性能，缩短系统使用寿命，不利于维护保养；

3）由于采用机械式连接，该种同步方法的结构比较固定，参数不易调节。若需要对其做出修改，则必须增加或者移去某些机械零部件，操作较为繁琐。另外机械连接也会受到系统结构尺寸的限制，难以实现远距离同步控制。

电气式同步随着科技的进步，尤其是伺服数控技术的迅速发展，科研人员提出了电气式同步控制方法，有效解决了机械式同步所存在的问题。电气式同步控制主要由一个核心控制器以及与其相连的若干个子单元组成，每个子单元都有一个独立电机来驱动对应运动轴。设计人员通过编写相应程序，使得各子单元在核心控制器的协调下工作，保证运动轴的同步运行。由于每个轴都由单独的电机驱动，因此该种方法带动负载的能力有了显著提高，且简化了设备机械结构，能够实现精度更高，同步性更好的控制。电气式同步涉及到了很多学科的综合知识，具有巨大的发展前景，可以在各个领域内广泛应用。