東元伺服全閉環(huán)(雙編碼器)功能消除自動化設(shè)備機械誤差

常規(guī)伺服驅(qū)動器之所以可以實現(xiàn)精準控制，是因為電機移動的距離和位置、速度信息可以通過電機上搭配的編碼器反饋給伺服驅(qū)動器，使得伺服驅(qū)動與電機之間形成了一個小的閉環(huán)系統(tǒng)，從而達到精確控制的目的。但這種精確僅僅限于伺服與電機的獨立小系統(tǒng)，而對于使用伺服系統(tǒng)的整套設(shè)備來說仍然存在機械誤差、傳動誤差，所以說這里的精確只是相對的，而常規(guī)解決辦法經(jīng)常會采用各種傳感器、接近開關(guān)等，通過PLC來克服整套系統(tǒng)的誤差，但精度相對較差，且只能進行報警而無法實時進行補差。

因此，由伺服驅(qū)動器、伺服電機及電機本身編碼器組成的系統(tǒng)，也被稱為半閉環(huán)系統(tǒng)。為了使設(shè)備控制達到更高精度的控制，東元高階伺服JSDG2S在半閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加了一路編碼器反饋裝置(可利用光學旋轉(zhuǎn)編碼器或者光柵尺等外部編碼器)，直接檢測控制物體的目標機械移動距離(如滑臺實際運行距離)，這樣，伺服驅(qū)動器、被測物及第二路編碼器反饋(再增加的一路編碼器)構(gòu)成了一套全閉環(huán)控制的系統(tǒng)。

工作原理

如電機編碼器接口CN2一樣，第二路編碼器接口CN8也可與光學旋轉(zhuǎn)編碼器、光學尺等匹配(此光學旋轉(zhuǎn)編碼器、光學尺是將移動的距離轉(zhuǎn)化成A/B/Z相脈沖信號，脈沖個數(shù)代表物體移動距離，脈沖頻率代表物體移動速度)，此第二路編碼器接口CN8支持最高解析度為1000000pulse/rev(電機旋轉(zhuǎn)一圈，全閉環(huán)系統(tǒng)對應(yīng)的最大四倍頻脈沖數(shù)為1000000)。1.硬件設(shè)計電路及原理電路由左向右說明：接口CN8為光柵尺或光學旋轉(zhuǎn)編碼器接口，輸入信號為A+/A-,B+/B-,Z+/Z-差分信號，利用脈沖的個數(shù)和頻率反映當前偵測的物體移動距離和速度，接口有鉗衛(wèi)二極管進行保護，防止雜訊、高壓損壞芯片，保證硬件電路可靠度，再經(jīng)過一個RC電路進行濾波后，通過一個差動電路接收器AM32LVIDR轉(zhuǎn)換為FPGA可接收的電平信號，后續(xù)信號將由FPGA內(nèi)部解析處理。

圖 1 系統(tǒng)示意圖

圖 2 硬件電路圖

圖 3 軟件系統(tǒng)流程圖

2.軟件控制原理

(1) 位置命令通過總線(EtherCAT/CANopen) 或脈沖控制器下發(fā)到驅(qū)動器，經(jīng)過電子齒輪比及相應(yīng)單位轉(zhuǎn)化函數(shù)(表達式為：接收到的位置命令*電子齒輪比*第二路編碼器解析度)，生成對應(yīng)位置1(CmdPos),同時利用安裝在設(shè)備上的第二路外部編碼器得到設(shè)備實際運行位置2(FbPos)。

(2) ) 上述兩位置送入位置控制器( 位置控制器即比例系統(tǒng))做計算(比例系統(tǒng)計算即 (Cmd Pos- FbPos)*KP(KP為可調(diào)整系數(shù)，默認值為40))得出電機實際需要移動位置(移動位置增量DeltaPos)及移動速度(單位時間內(nèi)移動的位置增量即移動速度 CmdSpeed，此系統(tǒng)單位時間為400微秒)，此時通過電機內(nèi)部編碼器得出(使用微分計算= 位置變化量/時間變化量)電機反饋速度(FbSpeed)。

(3)再將上述2個速度送入速度控制器計算(速度控制器即比例、積分系統(tǒng))，為了快速響應(yīng)此算法采用抗積分飽和比例/積分計算，其具體算法為在計算當前誤差量的時候，先判斷上一時刻誤差量是否已經(jīng)超出了限制范圍。若上一時刻誤差量>限制最大值，則只累加負偏差;若上一時刻誤差量<限制最小值，則只累加正偏差。從而避免控制量長時間停留在飽和區(qū)(超出速度限制最大/小值范圍)，得出(當前實際速度=上一次實際速度+當前速度控制器計算的速度誤差量)電機實際運行速度(RealSpeed)及電機所需的轉(zhuǎn)矩電流，通過電流控制器(將交流伺服電機控制模型轉(zhuǎn)化成直流電機控制模型，直流電機模型只需控制電流的大小即可控制轉(zhuǎn)矩的大小)保證電機精準的轉(zhuǎn)矩輸出。

上述全閉環(huán)位置算法直接將被測物的位置做運算， 減小機械傳動間隙與機構(gòu)間的傳動誤差。

為了更好地使物體運動更加順暢，在移動軌跡控制時，將單段控制S(x)=0延伸為多段控制，包括加速度段、恒速段和減速段。各段分別為：

1.加速段 S1=ax22+(x1-x10)式中，x10為初始位置誤差

2. 恒速段 S2=x2-x10

3. 減速段 S3=cx1+x2

通過以上方式可以解決設(shè)備使驅(qū)動器更順暢地控制電機彌補機械部分產(chǎn)生的誤差。

當然也存在某些情況因機械或者傳動故障，此時驅(qū)動器可通過設(shè)定誤差最大保護機制判定直接報警，避免損壞機械。

報警判斷：

內(nèi)部編碼器 x 外部編碼器分辨率(PPR4 2500 x 4) / 內(nèi)部編碼器分辨率(17bit) -外部編碼器 > Pn347

Pn347：全閉回誤差最大值(全閉回CN4與實際Encoder誤差設(shè)定值，當位置誤差量大于Pn347所設(shè)定的脈波數(shù)時，本裝置產(chǎn)生AL022(馬達端與負載端pulse誤差過大)。

機能使用步驟

1.確認機構(gòu)方向

確認外部編碼器正方向?qū)?yīng)馬達方向，設(shè)定Pn314(位置命令方向定義)，以手推方式(不要激磁)確認， 當外部機構(gòu)向正方向推時，查看Un-14(馬達回授-旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的脈波數(shù))，確認數(shù)值是否為遞增。2.確認內(nèi)外部是否方向相同以手推方式(不要激磁)，將外部機構(gòu)向正方向推，查看Un-50(外部編碼器脈波數(shù))，確認數(shù)值是否為遞增。如果不是，請修正Pn349 (全閉回路方向)設(shè)定，改為0或1。

圖 4 機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3.確認Pn348(外部邊碼器分辨率)

外接編碼器或光學尺進行全死循環(huán)控制時，首先需進行Pn348(全死循環(huán)Encoder一圈對應(yīng)分辨率) 設(shè)定，以螺桿機構(gòu)搭配光學尺范例計算如下：

設(shè)定全死循環(huán)Encoder分辨率后，可搭配設(shè)定Pn349(全死循環(huán)運轉(zhuǎn)方向設(shè)定)進行運轉(zhuǎn)方向設(shè)定，抑或是搭配使用Pn347(全死循環(huán)誤差最大值)進行實際與外部Encoder誤差最大范圍，并用Un-52(外部編碼器與馬達編碼器之誤差)，監(jiān)控兩者之間的誤差，當超出范圍后，警報訊號產(chǎn)生AL.022(馬達端與負載端pulse誤差過大)，伺服停止動作，最后依照需求設(shè)定Pn346(全閉回機能分周選擇)。

以手推方式(不要激磁)，依據(jù)Un-14(馬達回授- 旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的脈波數(shù))和Un-16(馬達回授-旋轉(zhuǎn)圈數(shù)) 計算馬達計數(shù)的總位移距離。將此馬達總位置和Un50(外部編碼器脈波數(shù))比較，方向是否相同? 兩者的比例是否為馬達分辨率與Pn348相近?

若平臺如圖1中所示，忽略背隙(Backlash)的影響，從狀態(tài)顯示參數(shù)得知Un-50(外部編碼器脈波數(shù))為2500、Un14為32768，則可依此推算出Pn348(全死循環(huán)Encoder一圈對應(yīng)分辨率)之值：

總結(jié)

此功能使得電氣設(shè)備形成全閉環(huán)系統(tǒng)，相比較接近開關(guān)等靜態(tài)反饋，采用編碼器/光柵尺等傳感器后，使得設(shè)備可形成動態(tài)的全閉環(huán)系統(tǒng)。在這套反饋控制系統(tǒng)中， 伺服驅(qū)動器可實時監(jiān)控設(shè)備移動、速度變量，在工作運行中不管出于什么原因(外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化)，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對設(shè)備的誤差特性變化不敏感，并能積極改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性和控制精度，使得設(shè)備達到一個完美的工作狀態(tài)(注：詳細使用參數(shù)可參考東元伺服JSDG2S使用手冊)。