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

實(shí)時確定性以太網(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，各個控制節(jié)點(diǎn)之間的命令和指令的傳遞必須與一個公共時鐘同步;其次，控制算法和反饋函數(shù)的執(zhí)行必須與同一個時鐘同步。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，考慮一個兩軸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動控制系統(tǒng)，如圖1所示。運(yùn)動控制主機(jī)通過實(shí)時網(wǎng)絡(luò)向兩個伺服控制器發(fā)送命令和指令值，每個伺服控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的一個從機(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節(jié)點(diǎn)處配置一個本地同步時鐘。這種對時間的共識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)控制器何時從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。遵照這種方法，運(yùn)動控制器和電機(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)。如果沒有這一能力，電機(jī)控制器就無法充分利用網(wǎng)絡(luò)的定時精度。在響應(yīng)指令值和命令時，電機(jī)控制器的I/O會出現(xiàn)問題。

電機(jī)控制器中的每個I/O(例如脈寬調(diào)制(PWM)定時器和ADC)都具有固有的延遲和時間量化。例如，我們來看圖2所示的為功率逆變器產(chǎn)生柵極驅(qū)動信號的PWM定時器。該定時器通過比較指令值Mx與上下計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生柵極信號。當(dāng)控制算法改變Mx時，新的占空比要到下一個PWM周期才會生效。這相當(dāng)于一個零階保持效應(yīng)，意味著每個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)動控制系統(tǒng)

圖2.PWM定時器的占空比更新

在實(shí)時網(wǎng)絡(luò)上，無論數(shù)據(jù)交換如何緊密地同步，PWM定時器的時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，無法在新的占空比生效之前對其進(jìn)行響應(yīng)。這導(dǎo)致時間不確定性最長可達(dá)一個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未經(jīng)定義且可變的相位關(guān)系。將其與實(shí)時網(wǎng)絡(luò)上低于1 μs的時間不確定性相比較，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三個同步域，它們沒有綁定在一起。它們實(shí)際上并不同步，具有最長可達(dá)一個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，可以清楚地看到時間不確定性的影響。在I/O級的電機(jī)控制軸之間的時間偏移量變化會對機(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。

考慮一個簡單的運(yùn)動曲線，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.時序延遲對位置精度的影響

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軸定義了一系列相等時間間隔的位置/速度命令。軸之間的任何時序差異都會導(dǎo)致機(jī)器的精度降低。考慮圖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)來描述。延遲使y軸命令產(chǎn)生時序誤差，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)鍵的是無法對可變且未知的延遲進(jìn)行補(bǔ)償。此外，可變延遲會導(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.時序延遲對位置精度的影響