常規(guī)伺服驅(qū)動(dòng)器之所以可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，是因?yàn)?a target="_blank">電機(jī)移動(dòng)的距離和位置、速度信息可以通過(guò)電機(jī)上搭配的編碼器反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，使得伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)之間形成了一個(gè)小的閉環(huán)系統(tǒng)，從而達(dá)到精確控制的目的。但這種精確僅僅限于伺服與電機(jī)的獨(dú)立小系統(tǒng)，而對(duì)于使用伺服系統(tǒng)的整套設(shè)備來(lái)說(shuō)仍然存在機(jī)械誤差、傳動(dòng)誤差，所以說(shuō)這里的精確只是相對(duì)的，而常規(guī)解決辦法經(jīng)常會(huì)采用各種傳感器、接近開(kāi)關(guān)等，通過(guò)PLC來(lái)克服整套系統(tǒng)的誤差，但精度相對(duì)較差，且只能進(jìn)行報(bào)警而無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)差。

因此，由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及電機(jī)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(dá)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(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器或者光柵尺等外部編碼器)，直接檢測(cè)控制物體的目標(biāo)機(jī)械移動(dòng)距離(如滑臺(tái)實(shí)際運(yùn)行距離)，這樣，伺服驅(qū)動(dòng)器、被測(cè)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(jī)編碼器接口CN2一樣，第二路編碼器接口CN8也可與光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器、光學(xué)尺等匹配(此光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器、光學(xué)尺是將移動(dòng)的距離轉(zhuǎn)化成A/B/Z相脈沖信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)代表物體移動(dòng)距離，脈沖頻率代表物體移動(dòng)速度)，此第二路編碼器接口CN8支持最高解析度為1000000pulse/rev(電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，全閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最大四倍頻脈沖數(shù)為1000000)。1.硬件設(shè)計(jì)電路及原理電路由左向右說(shuō)明：接口CN8為光柵尺或光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器接口，輸入信號(hào)為A+/A-,B+/B-,Z+/Z-差分信號(hào)，利用脈沖的個(gè)數(shù)和頻率反映當(dāng)前偵測(cè)的物體移動(dòng)距離和速度，接口有鉗衛(wèi)二極管進(jìn)行保護(hù)，防止雜訊、高壓損壞芯片，保證硬件電路可靠度，再經(jīng)過(guò)一個(gè)RC電路進(jìn)行濾波后，通過(guò)一個(gè)差動(dòng)電路接收器AM32LVIDR轉(zhuǎn)換為FPGA可接收的電平信號(hào)，后續(xù)信號(hào)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(guò)總線(EtherCAT/CANopen) 或脈沖控制器下發(fā)到驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)電子齒輪比及相應(yīng)單位轉(zhuǎn)化函數(shù)(表達(dá)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(duì)應(yīng)位置1(CmdPos),同時(shí)利用安裝在設(shè)備上的第二路外部編碼器得到設(shè)備實(shí)際運(yùn)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(jì)算(比例系統(tǒng)計(jì)算即 (Cmd Pos- FbPos)*KP(KP為可調(diào)整系數(shù)，默認(rèn)值為40))得出電機(jī)實(shí)際需要移動(dòng)位置(移動(dòng)位置增量DeltaPos)及移動(dòng)速度(單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的位置增量即移動(dòng)速度 CmdSpeed，此系統(tǒng)單位時(shí)間為400微秒)，此時(shí)通過(guò)電機(jī)內(nèi)部編碼器得出(使用微分計(jì)算= 位置變化量/時(shí)間變化量)電機(jī)反饋速度(FbSpeed)。

(3)再將上述2個(gè)速度送入速度控制器計(jì)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(jì)算，其具體算法為在計(jì)算當(dāng)前誤差量的時(shí)候，先判斷上一時(shí)刻誤差量是否已經(jīng)超出了限制范圍。若上一時(shí)刻誤差量>限制最大值，則只累加負(fù)偏差;若上一時(shí)刻誤差量<限制最小值，則只累加正偏差。從而避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)(超出速度限制最大/小值范圍)，得出(當(dāng)前實(shí)際速度=上一次實(shí)際速度+當(dāng)前速度控制器計(jì)算的速度誤差量)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度(RealSpeed)及電機(jī)所需的轉(zhuǎn)矩電流，通過(guò)電流控制器(將交流伺服電機(jī)控制模型轉(zhuǎn)化成直流電機(jī)控制模型，直流電機(jī)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(jī)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩輸出。

上述全閉環(huán)位置算法直接將被測(cè)物的位置做運(yùn)算， 減小機(jī)械傳動(dòng)間隙與機(jī)構(gòu)間的傳動(dòng)誤差。

為了更好地使物體運(yùn)動(dòng)更加順暢，在移動(dòng)軌跡控制時(shí)，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(guò)以上方式可以解決設(shè)備使驅(qū)動(dòng)器更順暢地控制電機(jī)彌補(bǔ)機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差。

當(dāng)然也存在某些情況因機(jī)械或者傳動(dòng)故障，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)設(shè)定誤差最大保護(hù)機(jī)制判定直接報(bào)警，避免損壞機(jī)械。

報(bào)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(shí)際Encoder誤差設(shè)定值，當(dāng)位置誤差量大于Pn347所設(shè)定的脈波數(shù)時(shí)，本裝置產(chǎn)生AL022(馬達(dá)端與負(fù)載端pulse誤差過(guò)大)。

機(jī)能使用步驟

1.確認(rèn)機(jī)構(gòu)方向

確認(rèn)外部編碼器正方向?qū)?yīng)馬達(dá)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(rèn)， 當(dāng)外部機(jī)構(gòu)向正方向推時(shí)，查看Un-14(馬達(dá)回授-旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的脈波數(shù))，確認(rèn)數(shù)值是否為遞增。2.確認(rèn)內(nèi)外部是否方向相同以手推方式(不要激磁)，將外部機(jī)構(gòu)向正方向推，查看Un-50(外部編碼器脈波數(shù))，確認(rèn)數(shù)值是否為遞增。如果不是，請(qǐng)修正Pn349 (全閉回路方向)設(shè)定，改為0或1。

圖 4 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3.確認(rèn)Pn348(外部邊碼器分辨率)

外接編碼器或光學(xué)尺進(jìn)行全死循環(huán)控制時(shí)，首先需進(jìn)行Pn348(全死循環(huán)Encoder一圈對(duì)應(yīng)分辨率) 設(shè)定，以螺桿機(jī)構(gòu)搭配光學(xué)尺范例計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)方向設(shè)定)進(jìn)行運(yùn)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(jìn)行實(shí)際與外部Encoder誤差最大范圍，并用Un-52(外部編碼器與馬達(dá)編碼器之誤差)，監(jiān)控兩者之間的誤差，當(dāng)超出范圍后，警報(bào)訊號(hào)產(chǎn)生AL.022(馬達(dá)端與負(fù)載端pulse誤差過(guò)大)，伺服停止動(dòng)作，最后依照需求設(shè)定Pn346(全閉回機(jī)能分周選擇)。

以手推方式(不要激磁)，依據(jù)Un-14(馬達(dá)回授- 旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的脈波數(shù))和Un-16(馬達(dá)回授-旋轉(zhuǎn)圈數(shù)) 計(jì)算馬達(dá)計(jì)數(shù)的總位移距離。將此馬達(dá)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(dá)分辨率與Pn348相近?

若平臺(tái)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(duì)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(kāi)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(dòng)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(dòng)器可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備移動(dòng)、速度變量，在工作運(yùn)行中不管出于什么原因(外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化)，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)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(duì)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(dá)到一個(gè)完美的工作狀態(tài)(注：詳細(xì)使用參數(shù)可參考東元伺服JSDG2S使用手冊(cè))。