基于EtherCAT通信有限時(shí)間位置收斂伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作品簡(jiǎn)介

針對(duì)高動(dòng)態(tài)性能、高穩(wěn)態(tài)精度的伺服系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了有限時(shí)間位置控制器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在變化的位置指令下，柔順地從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置。針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器電流傳感器故障，設(shè)計(jì)了基于鏡像電流方法的相電流傳感器容錯(cuò)控制策略，提高了伺服驅(qū)動(dòng)器的可靠性。

最后，基于STM32微控制器，構(gòu)建EtherCAT通訊主、從站，相比于傳統(tǒng)通信方式，EtherCAT通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)多伺服系統(tǒng)的集中控制。項(xiàng)目組已與相關(guān)企業(yè)建立合作關(guān)系，目前所研制伺服系統(tǒng)產(chǎn)品正處于生產(chǎn)測(cè)試階段。

作品全貌

硬件設(shè)計(jì)

該控制電路主要功能是伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，以及RS485；ETHERCAT通訊控制，按鍵板等。

其中主控使用的是STM32F407ZET6，電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用的是IR2106S，編碼器采樣芯片AM26LS32C四路差分驅(qū)動(dòng)芯片，數(shù)碼管顯示功能電路采用74HC595和TPIC6B595移位寄存器，RS485通信接口芯片MAX485ECSA+T與RS-485總線連接，以太網(wǎng)芯片采用LAN8720A。

軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用最為常用的基于控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制方法，該方法因沒(méi)有直軸電流，電機(jī)沒(méi)有直軸電樞反應(yīng)，不會(huì)使永磁體退磁，電機(jī)所有電流均用來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電流控制效率高。本項(xiàng)目要求伺服電機(jī)的過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩線性度高、控制方法簡(jiǎn)單可靠，因此選用表貼式永磁同步電機(jī)。

為了保證伺服道閘系統(tǒng)的精確控制，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)位置、速度、電流三環(huán)控制，伺服電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、較高的轉(zhuǎn)矩線性度、可靠的控制以及較強(qiáng)的帶載能力。然而，PI調(diào)節(jié)始終無(wú)法在不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速要求、不同位置給定下實(shí)現(xiàn)快速性與零超調(diào)量并存。

本項(xiàng)目使用的一種加速度連續(xù)的實(shí)時(shí)位置規(guī)劃控制方法，具有計(jì)算簡(jiǎn)便和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，只需要根據(jù)目標(biāo)位置和當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)過(guò)程計(jì)算處理，避免了復(fù)雜運(yùn)算，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。同時(shí)，在每一控制周期內(nèi)，在加速度連續(xù)的前提下，根據(jù)最新的目標(biāo)位置，進(jìn)行狀態(tài)判斷和位置規(guī)劃，能夠?qū)崟r(shí)跟隨快速變化的位置指令，適用于高動(dòng)態(tài)性能的伺服系統(tǒng)。

系統(tǒng)測(cè)試

1.位置環(huán)S曲線測(cè)試

2.有限時(shí)間收斂測(cè)試

3.以太網(wǎng)通信測(cè)試

總結(jié)

本文以道閘項(xiàng)目為研究背景，設(shè)計(jì)一款基于EtherCAT通信有限時(shí)間位置收斂的伺服系統(tǒng)。針對(duì)高速度、高控制精度、高效率的要求，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的方案論證、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析研究。概括起來(lái)，本文主要完成了以下工作：

（1）運(yùn)用加速度連續(xù)的實(shí)時(shí)位置規(guī)劃控制方法，既解決了基于連續(xù)加速度的S型位置規(guī)劃曲線算法在位置伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制出現(xiàn)的運(yùn)算復(fù)雜問(wèn)題，又解決了不能適應(yīng)位置指令快速變化等問(wèn)題，保證道閘系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）運(yùn)用了有限時(shí)間收斂算法，系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)就能夠達(dá)到相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，保證道閘系統(tǒng)運(yùn)行的快速性。

（3）運(yùn)用EtherCAT通信技術(shù)，提高控制器和驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)傳輸速度及可靠性，更好滿足伺服系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性的要求，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制。

（4）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)器具有電流傳感器的容錯(cuò)能力，可以保證系統(tǒng)在出現(xiàn)斷線故障時(shí)仍能正常工作，增加了伺服驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。

（5）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)的PCB板，合理設(shè)置布局布線和散熱布局，最大程度的節(jié)省了成本，提高了伺服驅(qū)動(dòng)器的集成度和功率密度。