兩軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在許多自動(dòng)化設(shè)備中都有應(yīng)用。如X-Y臺(tái)控制，醫(yī)療器械(如X光機(jī))等。常用的上位控制單元有自開(kāi)發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)、具有運(yùn)動(dòng)控制功能的專用PLC(如松下FP0)等。本文介紹一種控制更靈活、更具開(kāi)放性的上位控制單元——運(yùn)動(dòng)控制卡。

實(shí)時(shí)確定性以太網(wǎng)協(xié)議(例如EtherCAT)已經(jīng)能夠支持多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的同步運(yùn)行。1 該同步包含兩方面含義。首先，各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間的命令和指令的傳遞必須與一個(gè)公共時(shí)鐘同步;其次，控制算法和反饋函數(shù)的執(zhí)行必須與同一個(gè)時(shí)鐘同步。第一種同步很好理解，它是網(wǎng)絡(luò)控制器的固有部分。然而，第二種同步到目前為止一直為人所忽視，如今成為運(yùn)動(dòng)控制性能的瓶頸。

本文介紹從網(wǎng)絡(luò)控制器到電機(jī)終端和傳感器全程保持電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步的新概念。所提出的技術(shù)能夠大幅改善同步，從而顯著提高控制性能。

為了解釋現(xiàn)有解決方案的局限性，考慮一個(gè)兩軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。運(yùn)動(dòng)控制主機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)向兩個(gè)伺服控制器發(fā)送命令和指令值，每個(gè)伺服控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)。伺服控制器本身由網(wǎng)絡(luò)控制器、電機(jī)控制器、功率逆變器和電機(jī)/編碼器組成。

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用不同的方法使從機(jī)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)同步，一種常用方法是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處配置一個(gè)本地同步時(shí)鐘。這種對(duì)時(shí)間的共識(shí)確保了所有伺服軸的指令值和命令均緊密同步。換言之，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的所有網(wǎng)絡(luò)控制器都保持同步。

通常，在網(wǎng)絡(luò)控制器和電機(jī)控制器之間有兩條中斷線。第一條通知電機(jī)控制器何時(shí)需要收集輸入并將其放到網(wǎng)絡(luò)上。第二條通知電機(jī)控制器何時(shí)從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。遵照這種方法，運(yùn)動(dòng)控制器和電機(jī)控制器之間以同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且可以實(shí)現(xiàn)非常高的定時(shí)精度。但是，僅將同步數(shù)據(jù)傳送到電機(jī)控制器還不夠;電機(jī)控制器還必須能以同步方式響應(yīng)數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有這一能力，電機(jī)控制器就無(wú)法充分利用網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)精度。在響應(yīng)指令值和命令時(shí)，電機(jī)控制器的I/O會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

電機(jī)控制器中的每個(gè)I/O(例如脈寬調(diào)制(PWM)定時(shí)器和ADC)都具有固有的延遲和時(shí)間量化。例如，我們來(lái)看圖2所示的為功率逆變器產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWM定時(shí)器。該定時(shí)器通過(guò)比較指令值Mx與上下計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生柵極信號(hào)。當(dāng)控制算法改變Mx時(shí)，新的占空比要到下一個(gè)PWM周期才會(huì)生效。這相當(dāng)于一個(gè)零階保持效應(yīng)，意味著每個(gè)PWM周期T內(nèi)占空比僅更新一次或兩次(若使用雙更新模式)。

圖1.典型的兩軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

圖2.PWM定時(shí)器的占空比更新

在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上，無(wú)論數(shù)據(jù)交換如何緊密地同步，PWM定時(shí)器的時(shí)間量化將最終成為軸同步的決定性因素。當(dāng)接收到新的指令值時(shí)，無(wú)法在新的占空比生效之前對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。這導(dǎo)致時(shí)間不確定性最長(zhǎng)可達(dá)一個(gè)PWM周期(通常在50 μs至100 μs范圍內(nèi))。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)同步周期和PWM周期之間將存在一個(gè)未經(jīng)定義且可變的相位關(guān)系。將其與實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上低于1 μs的時(shí)間不確定性相比較，很顯然，電機(jī)控制器的I/O在網(wǎng)絡(luò)同步運(yùn)動(dòng)控制中起到更至關(guān)重要的作用。實(shí)際上，決定同步精度的不是實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，而是系統(tǒng)I/O。

再次參考圖1，該系統(tǒng)具有A、B、C三個(gè)同步域，它們沒(méi)有綁定在一起。它們實(shí)際上并不同步，具有最長(zhǎng)可達(dá)一個(gè)PWM周期的可變不確定性。

同步不確定性及應(yīng)用影響

在面向機(jī)器人和機(jī)床等應(yīng)用的高性能多軸伺服系統(tǒng)中，可以清楚地看到時(shí)間不確定性的影響。在I/O級(jí)的電機(jī)控制軸之間的時(shí)間偏移量變化會(huì)對(duì)機(jī)器人或機(jī)床的最終三維定位精度產(chǎn)生直接且顯著的影響。

考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖3所示。在此示例中，電機(jī)速度指令值(藍(lán)色曲線)上升后再下降。如果斜坡速率在機(jī)電系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)，則實(shí)際速度預(yù)期值將遵循指令值。但是，如果在系統(tǒng)中任何位置存在延遲，則實(shí)際速度(紅色曲線)將滯后于指令值，從而導(dǎo)致位置誤差Δθ。

圖3.時(shí)序延遲對(duì)位置精度的影響

在多軸機(jī)器中，根據(jù)機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)將目標(biāo)位置(x, y, z)轉(zhuǎn)換為角度軸向描述(θ1, ..., θn)。角度軸向描述為每個(gè)軸定義了一系列相等時(shí)間間隔的位置/速度命令。軸之間的任何時(shí)序差異都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的精度降低?？紤]圖4所示的兩軸示例。機(jī)器的目標(biāo)路徑以一組(x, y)坐標(biāo)來(lái)描述。延遲使y軸命令產(chǎn)生時(shí)序誤差，最終導(dǎo)致不規(guī)則的實(shí)際路徑。

在某些情況下，通過(guò)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償可以最大程度地降低固定延遲的影響。然而，更關(guān)鍵的是無(wú)法對(duì)可變且未知的延遲進(jìn)行補(bǔ)償。此外，可變延遲會(huì)導(dǎo)致控制環(huán)路增益發(fā)生改變，從而使調(diào)整環(huán)路以獲得最佳性能變得很困難。

應(yīng)該注意的是，系統(tǒng)中任何地方的延遲都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器精度不準(zhǔn)確。因此，盡可能減小或消除延遲才能提高生產(chǎn)率和最終產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4.時(shí)序延遲對(duì)位置精度的影響