1、綜述

雙閉環(huán)控制一般應(yīng)用在電機(jī)和負(fù)載之間存在剛性較差的系統(tǒng)中，如圖1所示的帶傳動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于此類應(yīng)用雙閉環(huán)系統(tǒng)能有效克服單閉環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，如降低剛性差和反向間隙帶來(lái)的動(dòng)態(tài)性能下降。

圖1雙閉環(huán)系統(tǒng)

圖2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

本文檔將結(jié)合ACS獨(dú)有SPiiPlusMMI調(diào)試工具介紹雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟。

1.1雙閉環(huán)的理論基礎(chǔ)

在ACS運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)軸的雙閉環(huán)控制是非常方便的，用戶只需把不同的編碼器反饋通道或者模擬量輸入分配給軸即可，但是軸和這些通道必須隸屬于同一個(gè)伺服處理芯片（一般一個(gè)伺服處理芯片最多支持四個(gè)軸）。

軸的雙閉環(huán)控制是基于至少兩路反饋通道的：

負(fù)載位置反饋—用作位置環(huán)的輸入

電機(jī)位置反饋—用作速度環(huán)及電機(jī)換向的輸入

圖2為一個(gè)典型雙閉環(huán)控制的框圖。

1.2ACSPL+變量

以下的ACSPL+變量將應(yīng)用在雙閉環(huán)控制中：

1.2.1MFLAGS

MFLAGS是一個(gè)整數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，元素有一系列的狀態(tài)位組成，用來(lái)配置電機(jī)。

為了把系統(tǒng)設(shè)置為雙閉環(huán)控制，相關(guān)軸的MFLAGS的位20（#DUALLOOP）需要被置1，例如MFLAGS(0).#DUALLOOP=1，設(shè)置0軸為雙閉環(huán)控制，此時(shí)二階濾波器從速度環(huán)移至位置環(huán)中。

1.2.2SLVRAT

SLVRAT是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)定義位置環(huán)反饋和速度環(huán)反饋之間的減速比：

SLVRAT=position resolution/velocity resolution

1.2.3SLVKP

SLVKP是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)給特定軸的速度增加一個(gè)比例系數(shù)。

1.2.4XVEL

XVEL是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)定義軸的最大允許速度。

XVEL會(huì)導(dǎo)致速度環(huán)比例增益SLVKP的有效值發(fā)生變化：在雙閉環(huán)中，SLVKP有效值計(jì)算如下：

如果XVEL[loadfeedbackcounts/sec]>221時(shí)，實(shí)際增益是減小的，詳見(jiàn)稍后的公式，其他情況實(shí)際增益是增

加的。

1.2.5EFAC

EFAC是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)定義在原始編碼器反饋的count值和控制器計(jì)算的變量值FPOS之間的因子。

格式如：EFAC(axis_index)=value(value范圍1-15….1+15默認(rèn)值為1)

1.2.6FACC

FACC是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)定義軸的加速度反饋值。

1.2.7Routing變量

SLPROUT

SLPROUT是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)設(shè)置對(duì)應(yīng)軸的位置環(huán)反饋通道。

格式如：SLPROUT(axis_index)=value

Value指定反饋來(lái)源如表1所示。

當(dāng)為默認(rèn)值0時(shí)，控制器支持標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)控制配置，即FPOS(0)為0編碼器反饋，F(xiàn)POS(1)為1編碼器反饋等等。當(dāng)SLPROUT≠0時(shí)，表明FPOS是來(lái)源于其他編碼器。例如SLPROUT(0)=104，表示FPOS來(lái)源于模擬量輸入0而不是編碼器，此時(shí)反饋可能是電位計(jì)或者其他能夠輸出模擬量表征電機(jī)位置的器件。

表1：SLPROUTValues

SLVROUT

SLVROUT是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)設(shè)置對(duì)應(yīng)軸的速度環(huán)反饋通道。

格式如：SLVROUT(axis_index)=value

Value指定反饋來(lái)源如表2所示。

SLCROUT

SLCROUT是一個(gè)實(shí)數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)系統(tǒng)里的每一個(gè)軸，用來(lái)設(shè)置對(duì)應(yīng)軸的速度換向反饋通道。

格式如：SLCROUT(axis_index)=value

Value指定反饋來(lái)源如表3所示。

表2 SLVROUTValues

2、配置雙閉環(huán)控制的步驟

步驟分為兩部分：

電機(jī)軸端設(shè)置

此時(shí)的軸是與電機(jī)有物理連接的軸號(hào)。

負(fù)載端設(shè)置

此時(shí)負(fù)載軸號(hào)表示負(fù)載反饋通道。

通常電機(jī)軸號(hào)可以與實(shí)際電機(jī)編碼器反饋通道不一樣，但是本文假定電機(jī)編碼器反饋通道和電機(jī)軸號(hào)一致，并且兩個(gè)反饋通道都使用負(fù)載用戶單位而不是count。在這種情況下，雙閉環(huán)的設(shè)置是簡(jiǎn)單的，改動(dòng)較少的。

為了能夠更好介紹雙閉環(huán)的步驟，系統(tǒng)配置示例如下：

絲杠驅(qū)動(dòng)直線平臺(tái)

直線式編碼器反饋平臺(tái)位置，電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器反饋速度及換向。

用戶單位：mm

電機(jī)連接在axis0

電機(jī)反饋編碼器連接在axis0，旋轉(zhuǎn)正交編碼器，分辨率

2000lines/revolution

負(fù)載反饋連接在axis1，直線正交編碼器，分辨率12500lines/mm

兩個(gè)反饋內(nèi)部分頻倍數(shù)都為4

絲杠導(dǎo)程：25.4mm/revolution

2.1AXISSetup

我們將使用SPiiPlusMMIApplicationSthdio中的AdjusterWizard功能設(shè)置軸參數(shù)，它非常容易設(shè)置單軸參數(shù)，節(jié)省用戶時(shí)間。

（1）進(jìn)入AdjusterWizard中SelectTask選項(xiàng)，選擇軸號(hào)及選擇設(shè)置新系統(tǒng)或控制器選項(xiàng)。

點(diǎn)擊Next如圖3所示。

表3 SLCROUTValues

（2）填寫詳細(xì)用戶信息在Initialization窗口，然后點(diǎn)擊Next如圖4所示。

（3）AxisStructure:選擇SingleMotor，RotaryMotorandLinearLoad-IndirectDrive:Lead-Screw，減速比為1（如果電機(jī)和絲杠間有減速比請(qǐng)?zhí)顚憣?shí)際值），反饋結(jié)構(gòu)：Single,onmotor，用戶單位作用在Load，用戶單位mm。如圖5所示。

（4）繼續(xù)設(shè)置直到AxisSetupandTuning步驟，跳過(guò)PositionandVelocityLoopstuning.

圖3

圖4

圖5

（5）SavetoFlash然后退出。

（6）計(jì)算EFAC(axis)

EFAC(axis)用來(lái)定義電機(jī)反饋counts和負(fù)載用戶單位之間的比例，可用下列公式計(jì)算：

本文中參數(shù)計(jì)算如下：

EFAC(AXIS)=25.4/(2000*4)=0.003175mm

2.2負(fù)載端設(shè)置

通過(guò)AdjusterWizard已經(jīng)計(jì)算了參數(shù)EFAC(AXIS),下面將計(jì)算

EFAC(LOAD).

EFAC(LOAD)=1/(12500*4)=0.00002

設(shè)置完成后可移動(dòng)負(fù)載一小段距離驗(yàn)證EFAC設(shè)置是否正確，如果負(fù)載反饋沒(méi)有改變，可用命令FCLEARLOAD清除錯(cuò)誤，復(fù)位反饋。

設(shè)置正確后將用SPiiPlusMMIApplicationStudio中的FRFAnalyzer工具進(jìn)行單獨(dú)位置環(huán)、速度環(huán)分析，可修改SLPKP和Bi-Quad濾波器的參數(shù)，步驟如下：

圖6

（1）在CommunicationTerminal里輸入命令MFLAGS(AXIS).20=1，進(jìn)入雙閉環(huán)控制模式。

（2）打開(kāi)FRFAnalyzer。

（3）調(diào)試速度環(huán)參數(shù)，此時(shí)二階濾波是被禁止的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)MFLAGS

（AXIS）.20=1命令已經(jīng)被移到位置環(huán)了。

（4）軸禁止使能，計(jì)算SLVRAT(AXIS)參數(shù)，計(jì)算公式如下：

本例中計(jì)算值為：

SLVRAT=EFAC(AXIS)/EFAC(LOAD)=0.003175/0.00002=158.75

（5）設(shè)置軸反饋系數(shù)為負(fù)載反饋系數(shù)

EFACNEW(AXIS)=EFAC(LOAD)=0.00002

如果電機(jī)可以移動(dòng)，可用下列步驟驗(yàn)證SLVRAT設(shè)置是否正確：

兩個(gè)反饋位置清零FPOS(0)，F(xiàn)POS(1)

軸禁止使能

手動(dòng)移動(dòng)軸到任意位置

計(jì)算FPOS(LOAD)/FPOS(AXIS)，值應(yīng)該接近第四步的計(jì)算值。

（6）通過(guò)命令SLPROUT(AXIS)分配負(fù)載反饋為軸的位置反饋通道，命令定義參見(jiàn)表1。

例如我們分配負(fù)載反饋通道從軸1到軸0：

SLPROUT(0)=101

（7）如果你想繼續(xù)看到電機(jī)的反饋，你可以像負(fù)載反饋分配一樣用SLPROUT指令分配到其他軸號(hào)上。

（8）用FRFAnalyzer工具單獨(dú)調(diào)試位置環(huán)，必要時(shí)應(yīng)用二階濾波參數(shù)，典型濾波有Notchfilter和Leadfilter，可提高系統(tǒng)帶寬和穩(wěn)定性余度。

提示：在調(diào)試位置環(huán)時(shí)，為了產(chǎn)生準(zhǔn)確的測(cè)量參數(shù)和避免系統(tǒng)損壞，記得改變XVEL的值，因?yàn)檫@是一個(gè)速度命令而不是電流。

（9）負(fù)載反饋被用作位置環(huán)，電機(jī)反饋被用來(lái)?yè)Q向和

電流環(huán)，因?yàn)槭褂猛瑯拥挠脩魡挝?，XVEL(0)不用改變，電流環(huán)也不用再做進(jìn)一步調(diào)試了。

我們可以看出，XVEL在分配負(fù)載反饋到位置環(huán)后沒(méi)有發(fā)生變化，因此也不需要在調(diào)試速度環(huán)了。

位置環(huán)調(diào)試時(shí)，當(dāng)二階濾波配置成陷波時(shí)，比例增益可進(jìn)一步放大。

3、雙閉環(huán)限位問(wèn)題

當(dāng)執(zhí)行SLPROUT(AXIS)≠0的命令后，當(dāng)前軸的硬限位也會(huì)被分配到負(fù)載通道的軸號(hào)上，導(dǎo)致限位不能正常使用，需要執(zhí)行SLLROUT命令重新分配限位通道，格式如下：

SLLROUT(AXIS)=value如表4所示。

表4

需要注意的是SLLROUT命令得2.30以上控制版本才支持。

4、結(jié)論

ACS雙閉環(huán)控制能夠克服機(jī)械剛性不足及傳動(dòng)間隙帶來(lái)的誤差，提高控制精度，單獨(dú)速度環(huán)，位置環(huán)FRF分析優(yōu)化，提供Notch及多個(gè)二級(jí)濾波器使用，提高系統(tǒng)帶寬及響應(yīng)能力，適于各種高速高精密控制應(yīng)用場(chǎng)合。