隨著數(shù)字信號(hào)處理（dsp）技術(shù)的發(fā)展，很多復(fù)雜的控制任務(wù)在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)就能處理了，伺服驅(qū)動(dòng)器也越來越智能化[1]。同時(shí)，工控領(lǐng)域越來越成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)也為基于分布式控制體系的靈活模塊化的控制設(shè)計(jì)的實(shí)行提供了可能性。圖1便是一個(gè)分布式控制體系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 [align=center] 圖1　基于canopen總線的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[/align] 主機(jī)控制器（plc或運(yùn)動(dòng)控制器）和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通信是基于canopen標(biāo)準(zhǔn)的。這個(gè)解決方案可以用高性能模塊化的方式，方便的建立復(fù)雜的多軸控制應(yīng)用程序?？偩€通信設(shè)備不需要編輯硬件，只要對(duì)已存在的控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單參數(shù)，重新設(shè)定就可以應(yīng)用于新產(chǎn)品中[2]。可以通過增加或者刪除控制元件（伺服驅(qū)動(dòng)器，i/o模塊……）來編輯進(jìn)程，而不需要對(duì)控制系統(tǒng)做大的編輯和改動(dòng)。 　　 這種解決方案的靈活性是在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過程中長(zhǎng)期保持競(jìng)爭(zhēng)性位置的最大優(yōu)勢(shì):在縮減產(chǎn)品和技術(shù)生命周期的反饋中，能方便的對(duì)設(shè)備進(jìn)行編輯和升級(jí)。由于數(shù)字電流，速度和位置伺服環(huán)都整合在了伺服驅(qū)動(dòng)器中，也大大改進(jìn)了伺服性能。無論是插補(bǔ)軸軌跡還是獨(dú)立軸軌跡，都必須能通過最終運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序知道總線通信參數(shù)和控制任務(wù)的分配。在本文的第一部分將詳細(xì)討論這個(gè)問題。第二部分，主要針對(duì)插值法的軸在維護(hù)軸間配合時(shí)常需要執(zhí)行的強(qiáng)制同步命令。本文的最后一部分，針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)講述如何能夠得到最好的精度和動(dòng)態(tài)性能。 分布式運(yùn)動(dòng)控制體系 　　 在分布式運(yùn)動(dòng)控制體系中，智能伺服驅(qū)動(dòng)器必須提供總線通信裝置，并能執(zhí)行高水平的軸控制任務(wù)?？偩€裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的分配是搭建一個(gè)高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)。插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制程序是通過主機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器計(jì)算多軸軌跡，然后再通過總線把軸位置設(shè)定點(diǎn)發(fā)送到每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器中。應(yīng)用程序和控制進(jìn)程仍然是在主機(jī)plc或運(yùn)動(dòng)控制器中設(shè)定的。但是，伺服驅(qū)動(dòng)器為運(yùn)動(dòng)控制承擔(dān)了更多的責(zé)任，比如軟件和硬件的限位監(jiān)管，電機(jī)制動(dòng)模式控制和機(jī)器調(diào)試時(shí)低速運(yùn)行的安全性。軌跡發(fā)生器也能夠通過最終應(yīng)用程序被整合到伺服驅(qū)動(dòng)器中。這樣就使得插值法軸應(yīng)用程序和獨(dú)立應(yīng)用程序的差別更大。 　　 很多機(jī)器人和機(jī)器工具要求插值運(yùn)動(dòng)控制（必須要能連續(xù)調(diào)整一部分軸）。在這個(gè)方案中，軸軌跡必須通過相同高頻率的處理器的計(jì)算以便維護(hù)軸間協(xié)調(diào)。 [align=center] 圖2　插補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖[/align] 如圖2所示，適合多軸插值的分布式運(yùn)動(dòng)控制體系是基于伺服驅(qū)動(dòng)器的智能化，能夠執(zhí)行包括位置速度和帶電力轉(zhuǎn)換的電流環(huán)的完整伺服控制任務(wù)。主機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行多軸軌跡計(jì)算并通過一系列總線通信將位置設(shè)置點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器中。三次插值是為了在伺服環(huán)取樣期內(nèi)生成輪廓線，由在伺服驅(qū)動(dòng)器中兩個(gè)相鄰的設(shè)定點(diǎn)中得到。當(dāng)維護(hù)一個(gè)平滑運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，這種技術(shù)能大量減少占用的主控制器的資源（設(shè)置點(diǎn)生成頻率）。這樣在給定的總線性能中，就能控制大量的軸了。圖３表示了三次插值的影響。在這個(gè)應(yīng)用程序中，設(shè)定點(diǎn)生成頻率為100hz，伺服環(huán)采樣期為0.5ms。 [align=center] a）　無插補(bǔ)情況 b）　三次插補(bǔ)情況 圖3　伺服驅(qū)動(dòng)中三次插補(bǔ)影響[/align] 在自動(dòng)化領(lǐng)域的大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制中，不允許軸（軸軌跡獨(dú)立）間插值。這個(gè)方法不再需要集中的軌跡計(jì)算，這就使得軌跡計(jì)算可以分配到每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器中去。圖４就是相應(yīng)的控制體系。 主機(jī)plc控制器很適合提供應(yīng)用序列控制。這個(gè)解決方案基于能提供高性能運(yùn)動(dòng)控制并完全整合到plc環(huán)境中的智能伺服驅(qū)動(dòng)器。所以，能在iec 1131-3標(biāo)準(zhǔn)程序語言中得到高水平的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。 [align=center] 圖4　基于plc的分布式控制系統(tǒng)[/align] canopen通信 　　 現(xiàn)場(chǎng)總線是重要的組成部分和主要特點(diǎn)，類似同步，更新率或通信參數(shù)測(cè)定整個(gè)系統(tǒng)的性能。選擇can是因?yàn)樗母咚?，穩(wěn)定和低成本[3][4]。傳輸速率在40m以內(nèi)能達(dá)到1mbps隨著距離的拉長(zhǎng)會(huì)有所降低。can系列總線廣泛的應(yīng)用在自動(dòng)化和自動(dòng)化工業(yè)中，降低了硬件安裝的成本。can是基于公共總線上經(jīng)過信息優(yōu)先級(jí)選擇的信息廣播。同步和異步轉(zhuǎn)換模型在can中是區(qū)分開的，異步信息重點(diǎn)是伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置，而同步信息重點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)控制和軸軌跡調(diào)整。 　　 專注于伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用canopen ds402已經(jīng)落實(shí)。在這個(gè)方案中，目標(biāo)位置通過總線由主機(jī)plc控制器發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，然后由伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行軌跡調(diào)整計(jì)算并完成置位?！安逯滴恢谩蹦Ｐ褪怯糜诓逯凳捷S應(yīng)用程序的。這個(gè)方案中，為了維護(hù)軸間配合，多軸軌跡發(fā)生器計(jì)算得到的位置設(shè)定點(diǎn)，必須在運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器中高頻率轉(zhuǎn)換。所以，占用的總線資源比之前的應(yīng)用程序更多。同時(shí)，任何同步的錯(cuò)位都會(huì)顯著降低控制通路的精確性。同步錯(cuò)位是在主運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器之間取樣時(shí)間的不同產(chǎn)生的?？偩€傳輸延遲導(dǎo)致的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生同步錯(cuò)位。如果一個(gè)位置設(shè)定點(diǎn)在伺服驅(qū)動(dòng)器中能取出兩次，尤其要求高動(dòng)態(tài)性能的時(shí)候，就會(huì)使零速參考信號(hào)超過一個(gè)取樣期，還會(huì)強(qiáng)烈刺激到伺服電機(jī)[5]。在定速運(yùn)轉(zhuǎn)下總線振動(dòng)對(duì)伺服電機(jī)的影響見圖5（a）。為了解決這個(gè)問題，伺服驅(qū)動(dòng)器中必須要執(zhí)行強(qiáng)制同步命令。為了得到伺服環(huán)誤差的正確計(jì)算，必須特別注意電機(jī)位置和速度測(cè)量。圖5（b）是在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部執(zhí)行強(qiáng)制伺服的改進(jìn)。 [align=center] （a）　無插補(bǔ)情況 （b）　伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部插補(bǔ)情況 圖5　現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)在位置插補(bǔ)模式下影響[/align] 伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 　　 伺服驅(qū)動(dòng)器控制部分是一個(gè)單獨(dú)芯片的電機(jī)處理器（admc401），包括電機(jī)電流傳感，電機(jī)位置采集和適合功率級(jí)的ｐｗｍ脈沖發(fā)生器。這個(gè)設(shè)計(jì)是在一個(gè)只有很少元件的一體化伺服驅(qū)動(dòng)器中性能最優(yōu)的選擇結(jié)果。 　　 串級(jí)控制體系是最適合高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的，內(nèi)部的電流控制環(huán)控制電機(jī)力矩，外部的速度和位置控制環(huán)的動(dòng)態(tài)性能直接取決于內(nèi)部電流環(huán)的表現(xiàn)。為了達(dá)到盡可能短的電機(jī)電流響應(yīng)時(shí)間，并滿足伺服電機(jī)的最高速度范圍，外部電力轉(zhuǎn)換器的電壓范圍必須最大。電流控制器是基于在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系空間向量建模（svm）技術(shù)。svm類函數(shù)中附加了第三方調(diào)制解頻器，這使得svm類函數(shù)相比于傳統(tǒng)的對(duì)稱三角模型給了伺服電機(jī)更高的速0度范圍（超過15%）[6]，見圖6。 [align=center] 圖6　伺服驅(qū)動(dòng)模型方法下轉(zhuǎn)矩/速度曲線 a）　伺服閉環(huán)控制 b）　傳遞函數(shù) 圖7　速度和位置伺服控制結(jié)構(gòu) a）　伺服環(huán)位置應(yīng)用程序 b）　包絡(luò)線應(yīng)用程序 圖8　速度和位置伺服環(huán)調(diào)整[/align] 必須通過機(jī)械負(fù)載參數(shù)優(yōu)化速度和位置伺服環(huán)調(diào)整，才能達(dá)到穩(wěn)定和快速響應(yīng)的狀態(tài)。位置伺服控制器設(shè)計(jì)是基于多項(xiàng)式控制體系和極點(diǎn)定位跟蹤方法的。多項(xiàng)式控制體系是最主要的控制器體系，并且非常適合參數(shù)整定。它假定驅(qū)動(dòng)能通過圖7a中hmc和hmd的傳遞函數(shù)方程來表述。伺服控制器包括兩個(gè)傳遞方程hfb和hfw，主要作用于伺服環(huán)錯(cuò)誤信號(hào)和伺服環(huán)參考信號(hào)。圖7b中的hsr和hsd分別是閉環(huán)輸出/參考和輸出/干擾的傳遞函數(shù)。控制器整定進(jìn)程包括為了讓位置伺服環(huán)設(shè)定輸出/參考值和輸出/干擾，hsr和hsd傳遞函數(shù)中極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置的設(shè)置。所以能把伺服環(huán)調(diào)整和跟蹤行為完全分離開。hmc和hmd傳遞函數(shù)從由機(jī)械設(shè)備本身設(shè)定的。設(shè)備傳遞函數(shù)機(jī)械在額定負(fù)載下執(zhí)行鑒定程序得到的。執(zhí)行器只選擇需要的帶寬，除了要求精密技術(shù)，自整定程序不要求任何特殊的伺服系統(tǒng)知識(shí)。 　　 在多項(xiàng)式控制體系也可以通過伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用程序簡(jiǎn)單的編輯伺服環(huán)反饋。在圖8a）中，伺服環(huán)響應(yīng)為軸位置應(yīng)用程序優(yōu)化了。這個(gè)方案，要求能迅速準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。在圖8b）中，伺服環(huán)響應(yīng)為了包絡(luò)線應(yīng)用程序優(yōu)化了，在軸位移時(shí)位置誤差必須靠近零點(diǎn)。相比于以前的調(diào)整工作，現(xiàn)在只修改控制器hfw傳遞函數(shù)就可以滿足新的需求了。 　　 電機(jī)位置測(cè)量值是從旋變器反饋感應(yīng)通過軟件旋變到數(shù)字轉(zhuǎn)換（rdc）的技術(shù)得到的。旋變的正弦和余弦反饋信號(hào)進(jìn)入到admc401 12bit 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（adc）通道，然后通過二階跟蹤濾波器計(jì)算得到電機(jī)速度和位置值。當(dāng)要求電機(jī)運(yùn)動(dòng)很平滑時(shí)，可以在外部加一個(gè)16位的adc，加強(qiáng)位置解決方案。如圖9，可選的16位adc能大量降低速度波動(dòng)和由于位置定量錯(cuò)誤導(dǎo)致的電機(jī)噪聲。 [align=center] a）　12bit旋變信號(hào) b）　16bit旋變信號(hào) 圖9　adc對(duì)旋變信號(hào)轉(zhuǎn)換的影響[/align] 結(jié)語 　　 基于canopen總線通信的運(yùn)動(dòng)控制和智能伺服驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)高效靈活的解決方案。本文所提到的智能伺服驅(qū)動(dòng)器中的cd1k能執(zhí)行高水平的多軸控制任務(wù)，為各種各樣的應(yīng)用程序提供高性能運(yùn)動(dòng)控制解決方案。“插值位置”模式用于軸軌跡必須連續(xù)協(xié)調(diào)的應(yīng)用程序。在這個(gè)方案中，因?yàn)樵谒欧?qū)動(dòng)器內(nèi)部提供的三次插值，主機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器的占用資源被大量減少。通過機(jī)器中目標(biāo)應(yīng)用程序自整定程式在線運(yùn)行就能調(diào)整優(yōu)化速度和位置伺服環(huán)。