MOTEC伺服驱动器主从模式-双电机共轨驱动解决方案（第10篇）

1. 双电机共轨驱动在机器人的设计和实践过程中我们经常会遇到两个电机驱动同一个设备的情况。这种情况通常出现在单个电机无法提供足够的动力或者机械结构不允许安装单个动力部件的时候。当系统提出大功率 需求而安装空间又不允许安装大功率电机的时候也往往需要采用双电机共同驱动来满足要求。双电机驱动的挂轨机器人、双电机驱动爬塔机器人等设备中经常会出现这样的安装要求。如果图 1 所示通常轮子 1 到 4 中有两个为动力轮和另外两个为辅助轮它们构成了一种典型的双电机共轨驱动的结构。2. 双电机共轨驱动存在的问题双电机共同驱动的结构解决了系统安装空间的问题为系统提供了更大的功率和动力。此时如果两个电机还是按照传统的方式进行控制则会带来电机同步控制方面的问题。其问题主要表现为机械和控制两个方面。机械方面设计相同动力部件和传动链不可能避免的存在机械特性差异、加工精确问题以及磨损不同的问题。控制方面控制信号传输的时间差、电机微小特性差异、控制器时钟差异以及控制误差的累计。由于机械和控制方面诸多问题的存在**采用传统的控制方式时动力轮之间行走距离误差的累积会在两个电机之间产生相互较劲(可能表现为一个电机负载大另一个电机负载小更有可能表现为两个电机作用方向相反的情况)的现象。**随着运行距离的增加电机之间的较劲会越来越厉害最后会导致驱动器过流报警或甚至烧毁电机或驱动器的情况发生。如何保证双电机驱动在两个动力源的负载平衡是控制好双电机驱动系统的关键为此MOTEC 专门开发了双电机主从控制模式来解决这个问题。3. MOTEC 的双电机共轨驱动主从解决方案双电机驱动的结构通常由两个电机和相应的驱动器和控制器组成。在 MOTEC 的解决方轨道案中其中一个电机作为主驱动电机另一个电机作为从驱动电机。主驱动电机通常由控制系统提供信号控制电机运动而从驱动电机则接收主驱动电机的运动信息以实现协调运动。为了实现不同层级优化的双电机驱动方式MOTEC 提供了 3 种不同的控制方式分别介绍如下。3.1 双电机 PWM 主从模式电流跟随控制图 2 的示意图给出了 MOTEC 双电机 PWM 主从控制模式的说明图 3 则是 PWM 主从控制模式的控制原理图。PWM 主从控制模式有如下的特点上位控制器可以通过 RS232/RS485/CAN 网络发送指令控制主驱动器运行也可以利用传统的脉冲或模拟量方式控制主电机主驱动器可以工作在电流、速度或位置模式而从驱动器只能工作在电流模式从驱动器的电流设定值来自主驱动器主驱动器到从驱动器信息的传递依靠数字量PWM 占空比信号主驱动器到从驱动器的信息传递是单向的主从驱动器无法获取对方的状态信息。上位机可以通过 RS232/RS485/CAN 监控当前主/从驱动器的状态并协调主从驱动器之间的工作。通过诸多现场的实际应用案例表明 PWM 主从控制模式可以很好的解决双电机驱动方式存在的较劲问题给双电机驱动方式带来了高可靠性的应用。此方案给控制带了好处的同时也存在一定的问题。即主从驱动器的状态需要控制器自己来采集并比较再者如果轨道有缺陷当主驱动轮附着力不够的时候主驱动轮由于摩擦力变小失去动力随着主驱动电机电流变小从驱动器的电流也会变小从而导致整体驱动能力的变小。此时有可能需要上位机介入改变驱动器的操作模式继续运动。3.2 双电机通讯主从模式电流跟随控制图 4 的示意图给出了 MOTEC 双电机通讯主从控制模式的说明图 5 则是通讯主从控制模式的控制原理图。通讯主从控制模式有如下的特点上位控制器可以通过 RS232/RS485/CAN 网络发送指令控制主驱动器运行也可以利用传统的脉冲或模拟量方式控制主电机主驱动器可以工作在电流、速度或位置模式而从驱动器只能工作在电流模式从驱动器的电流设定值来自主驱动器主驱动器到从驱动器信息的传递驱动器之间的通讯无需另外接线主从驱动器之间用高速通讯的方式实现信息交换当其中一个驱动器出现工作异常并报警的时候另一个驱动器可以根据预先设定的方案进入处理程序无需上位机参与处理。上位机可以通过 RS232/RS485/CAN 监控当前主/从驱动器的状态并协调主从驱动器之间的工作。通过众多现场的实际应用案例表明通讯主从控制模式可以很好的解决双电机驱动方式存在的较劲问题给双电机驱动方式带来了高可靠性的应用。此方案比 PWM 主从更好的地方是主从驱动器是通过通讯方式互联双方都能得到对方的信息从而当其中一个驱动器出现异常情况时无需上位机介入的情况下驱动器自身即可完成处理。但此控制方式仍然无法解决上文提到的当发生由于轨道异常产生驱动轮附着力不够而不能很好驱动的情况。3.3 双电机通讯主从模式速度跟随交叉耦合控制为了解决上文提到的问题我们专门开发了双电机都工作在速度模式的交叉耦合控制模式其控制示意图如图 6 所示。主从交叉耦合控制模式有如下的特点上位控制器可以通过 RS232/RS485/CAN 网络发送指令控制主驱动器运行也可以利用传统的脉冲或模拟量方式控制主电机上位机可以通过 RS232/RS485/CAN 监控当前主/从驱动器的状态并协调主从驱动器之间的工作主驱动器可以工作在速度或位置模式而从驱动器工作在速度模式通常情况下双驱动器都工作在速度模式会引起电机较劲的问题所以我们引入了交叉耦合控制器来解决电机较劲的问题驱动器之间的耦合控制通过通讯方式实现无需额外的接线主从驱动器之间用高速通讯的方式实现信息交换当其中一个驱动器出现工作异常并报警的时候另一个驱动器可以根据预先设定的方案进入处理程序无需上位机参与处理主从驱动器之间的主从啮合控制是动态的当主从电机进入啮合状态时从驱动器的速度跟随主驱动器运动此时启动主从交叉耦合控制。当主从驱动器处于非啮合状态时主从驱动器可以各自接收上位机的速度指令进行单独控制当在设备运行过程中如果主从驱动器中有一个驱动器发生报警时主从驱动器会自动退出啮合状态。报警的那个轴电机释放而工作正常的那个轴以原来的速度继续运动。退出啮合状态后正常工作的驱动器可以接收上位机的指令在不停止运动的情况下继续进行控制并连续运动由于两个驱动器都工作在速度模式即使由于轨道缺陷引起的驱动问题也可以轻松被克服另外在一般的控制模式下当一个电机报警时通常情况另一个电机也会停止运动而 MOTEC 主从交叉耦合控制模式则无需停止运动。同时上位机又可以无缝接管系统的控制真正达到了双机热备的效果可以大大降低系统故障而停机的概率。4.后续连载章节以后的章节中我们会分成不同的主题对多轴主从同步控制模式进行详细的介绍1、主从控制模式简介2、主从位置控制3、主从速度控制4、主从电流控制5、主从控制回零6、主从控制不同编码器分辨率电机的混合使用7、主从控制电子齿轮控制方式8、主从控制PWM控制方式9、主从控制脉冲模式10、主从控制交叉耦合控制方式11、主从控制双电机消隙控制12、主从控制电子凸轮控制方式13、主从任意轨迹运动控制方式14、主从PLC功能简介15、主从PLC功能P2P_GO_NEXT运动16、主从PLC功能PVT_GO_NEXT运动17、组建更多个轴的主从控制模式18、双轴驱动器主从控制功能说明