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1、基于CANopen高性能伺服运动控制lihan导语：随着数字信号处理dsp技术的开展，很多复杂的控制任务在伺服驱动器内就能处理了，伺服驱动器也越来越智能化随着数字信号处理dsp技术的开展，很多复杂的控制任务在伺服驱动器内就能处理了，伺服驱动器也越来越智能化1。同时，工控领域越来越成熟的现场总线通讯技术也为基于分布式控制体系的灵敏模块化的控制设计的实行提供了可能性。图1便是一个分布式控制体系的构造简图。align=center图1基于canopen总线的分布式运动控制系统/align主机控制器plc或者运动控制器和伺服驱动器之间的通讯是基于canopen标准的。这个解决方案可以用高性能模块化的方
2、式，方便的建立复杂的多轴控制应用程序。总线通讯设备不需要编辑硬件，只要对已存在的控制系统的简单参数，重新设定就可以应用于新产品中2。可以通过增加或删除控制元件伺服驱动器，i/o模块来编辑进程，而不需要对控制系统做大的编辑和改动。这种解决方案的灵敏性是在工业消费自动化经过中长期保持竞争性位置的最大上风:在缩减产品和技术生命周期的反应中，能方便的对设备进展编辑和晋级。由于数字电流，速度和位置伺服环都整合在了伺服驱动器中，也大大改良了伺服性能。无论是插补轴轨迹还是独立轴轨迹，都必须能通过最终运动控制应用程序知道总线通讯参数和控制任务的分配。在本文的第一局部将具体讨论这个问题。第二局部，主要针对插值法
3、的轴在维护轴间配合时常需要执行的强迫同步命令。本文的最后一局部，针对伺服驱动器设计讲述怎样可以得到最好的精度和动态性能。分布式运动控制体系在分布式运动控制体系中，智能伺服驱动器必须提供总线通讯装置，并能执行高程度的轴控制任务。总线装置的设计和运动控制任务的分配是搭建一个高性能运动控制系统的关键点。插补运动控制程序是通过主机运动控制器计算多轴轨迹，然后再通过总线把轴位置设定点发送到每个伺服驱动器中。应用程序和控制进程仍然是在主机plc或者运动控制器中设定的。但是，伺服驱动器为运动控制承当了更多的责任，比方软件和硬件的限位监管，电机制动形式控制和机器调试时低速运行的平安性。轨迹发生器也可以通过最终
4、应用程序被整合到伺服驱动器中。这样就使得插值法轴应用程序和独立应用程序的差异更大。很多机器人和机器工具要求插值运动控制必需要能连续调整一局部轴。在这个方案中，轴轨迹必须通过一样高频率的处理器的计算以便维护轴间协调。align=center图2插补协调运动控制构造图/align如图2所示，合适多轴插值的分布式运动控制体系是基于伺服驱动器的智能化，可以执行包括位置速度和带电力转换的电流环的完好伺服控制任务。主机运动控制器进展多轴轨迹计算并通过一系列总线通讯将位置设置点的数字信号发送到每个伺服驱动器中。三次插值是为了在伺服环取样期内生成轮廓线，由在伺服驱动器中两个相邻的设定点中得到。当维护一个平滑运
5、动控制时，这种技术能大量减少占用的主控制器的资源设置点生成频率。这样在给定的总线性能中，就能控制大量的轴了。图表示了三次插值的影响。在这个应用程序中，设定点生成频率为100hz，伺服环采样期为0.5ms。align=centera无插补情况b三次插补情况图3伺服驱动中三次插补影响/align在自动化领域的大多数运动控制中，不允许轴轴轨迹独立间插值。这个方法不再需要集中的轨迹计算，这就使得轨迹计算可以分配到每个伺服驱动器中去。图就是相应的控制体系。主机plc控制器很合适提供给用序列控制。这个解决方案基于能提供高性能运动控制并完全整合到plc环境中的智能伺服驱动器。所以，能在iec1131-3标准
6、程序语言中得到高程度的运动控制参数。align=center图4基于plc的分布式控制系统/aligncanopen通讯现场总线是重要的组成局部和主要特点，类似同步，更新率或者通讯参数测定整个系统的性能。选择can是由于它的高速，稳定和低本钱34。传输速率在40m以内能到达1mbps随着间隔的拉长会有所降低。can系列总线广泛的应用在自动化和自动化工业中，降低了硬件安装的本钱。can是基于公共总线上经过信息优先级选择的信息播送。同步和异步转换模型在can中是区分开的，异步信息重点是伺服驱动器参数设置，而同步信息重点是运动控制和轴轨迹调整。专注于伺服驱动器应用canopends402已经落实。在
7、这个方案中，目的位置通过总线由主机plc控制器发送给伺服驱动器，然后由伺服驱动器进展轨迹调整计算并完成置位。“插值位置模型是用于插值式轴应用程序的。这个方案中，为了维护轴间配合，多轴轨迹发生器计算得到的位置设定点，必须在运动控制器和伺服驱动器中高频率转换。所以，占用的总线资源比之前的应用程序更多。同时，任何同步的错位都会显著降低控制通路的准确性。同步错位是在主运动控制器和伺服驱动器之间取样时间的不同产生的。总线传输延迟导致的振动也会产生同步错位。假如一个位置设定点在伺服驱动器中能取出两次，尤其要求高动态性能的时候，就会使零速参考信号超过一个取样期，还会强烈刺激到伺服电机5。在定速运转下总线振动
8、对伺服电机的影响见图5a。为理解决这个问题，伺服驱动器中必需要执行强迫同步命令。为了得到伺服环误差的正确计算，必须十分留意电机位置和速度测量。图5b是在伺服驱动器内部执行强迫伺服的改良。align=centera无插补情况b伺服驱动内部插补情况图5现场总线节点在位置插补形式下影响/align伺服驱动器设计伺服驱动器控制局部是一个单独芯片的电机处理器admc401，包括电机电流传感，电机位置收集和合适功率级的脉冲发生器。这个设计是在一个只有很少元件的一体化伺服驱动器中性能最优的选择结果。串级控制体系是最合适高性能伺服驱动器的，内部的电流控制环控制电机力矩，外部的速度和位置控制环的动态性能直接取决
9、于内部电流环的表现。为了到达尽可能短的电机电流响应时间，并知足伺服电机的最高速度范围，外部电力转换器的电压范围必须最大。电流控制器是基于在转子参考坐标系空间向量建模svm技术。svm类函数中附加了第三方调制解频器，这使得svm类函数相比于传统的对称三角模型给了伺服电机更高的速0度范围超过15%6，见图6。align=center图6伺服驱动模型方法下转矩/速度曲线a伺服闭环控制b传递函数图7速度和位置伺服控制构造a伺服环位置应用程序b包络线应用程序图8速度和位置伺服环调整/align必须通过机械负载参数优化速度和位置伺服环调整，才能到达稳定和快速响应的状态。位置伺服控制器设计是基于多项式控制体
10、系和极点定位跟踪方法的。多项式控制体系是最主要的控制器体系，并且非常合适参数整定。它假定驱动能通过图7a中hmc和hmd的传递函数方程来表述。伺服控制器包括两个传递方程hfb和hfw，主要作用于伺服环错误信号和伺服环参考信号。图7b中的hsr和hsd分别是闭环输出/参考和输出/干扰的传递函数。控制器整定进程包括为了让位置伺服环设定输出/参考值和输出/干扰，hsr和hsd传递函数中极点和零点的位置的设置。所以能把伺服环调整和跟踪行为完全别离开。hmc和hmd传递函数从由机械设备本身设定的。设备传递函数机械在额定负载下执行鉴定程序得到的。执行器只选择需要的带宽，除了要求精细技术，自整定程序不要求任
11、何特殊的伺服系统知识。在多项式控制体系也可以通过伺服驱动器应用程序简单的编辑伺服环反应。在图8a中，伺服环响应为轴位置应用程序优化了。这个方案，要求能迅速准确到达目的位置。在图8b中，伺服环响应为了包络线应用程序优化了，在轴位移时位置误差必须靠近零点。相比于以前的调整工作，如今只修改控制器hfw传递函数就可以知足新的需求了。电机位置测量值是从旋变器反应感应通过软件旋变到数字转换rdc的技术得到的。旋变的正弦和余弦反应信号进入到admc40112bit数模转换器adc通道，然后通过二阶跟踪滤波器计算得到电机速度和位置值。当要求电机运动很平滑时，可以在外部加一个16位的adc，加强位置解决方案。如图9，可选的16位adc能大量降低速度波动和由于位置定量错误导致的电机噪声。align=centera12bit旋变信号b16bit旋变信号图9adc对旋变信号转换的影响/align基于canopen总线通讯的运动控制和智能伺服驱动器是一个高效灵敏的解决方案。本文所提到的智能伺服驱动器中的cd1k能执行高程度的多轴控制任务，为各种各样的应用程序提供高性能运动控制解决方案。“插值位置形式用于轴轨迹必须连续协调的应用程序。在这个方案中，由于在伺服驱动器内部提供的三次插值，主机运动控制器的占用资源被大量减少。通过机器中目的应用程序自整定程式在线运行就能调整优化速度和位置伺服环。