引言：

在半導(dǎo)體晶圓加工，測(cè)量，精密激光切割，劃刻，掩模， 大格式FPD，OLED，PCB等檢測(cè)設(shè)備， 大格式工業(yè)打印機(jī)，大格式激光加工設(shè)備，SMT等領(lǐng)域，直驅(qū)龍門(mén)和大跨度龍門(mén)的平臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些龍門(mén)平臺(tái)往往大部分用直線電機(jī)，或旋轉(zhuǎn)伺服來(lái)驅(qū)動(dòng)控制。但如何控制好這些龍門(mén)平臺(tái)，使得它即快速，又平滑，又能快速整定以滿(mǎn)足工藝的要求。那就得需要真正的雙驅(qū)龍門(mén)算法來(lái)滿(mǎn)足這類(lèi)控制要求。相比較于傳統(tǒng)的所謂龍門(mén)算法，基本采用主從跟隨的方式來(lái)解決問(wèn)題。ACS運(yùn)動(dòng)控制采用的是交叉解耦方式來(lái)實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)龍門(mén)控制，當(dāng)然算法中還集合了ACS多年在此類(lèi)應(yīng)用中其他一些算法來(lái)優(yōu)化雙驅(qū)龍門(mén)算法。這樣對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)配置，設(shè)置，調(diào)試就相當(dāng)簡(jiǎn)化。

提示：僅需要很小的升級(jí)就可以讓用戶(hù)戶(hù)老的龍門(mén)系統(tǒng)支持我們新的標(biāo)準(zhǔn)支持。見(jiàn)Section 1.8

1.1 硬件連接

一個(gè)完整的龍門(mén)系統(tǒng)需要專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)龍門(mén)軸的兩個(gè)馬達(dá)和兩個(gè)編碼器：因此，龍門(mén)需要使用SPiiPlus的兩個(gè)軸。兩個(gè)龍門(mén)軸必須屬于相同的伺服處理器（SP），因此有確定的伺服限制存在。對(duì)于只有2個(gè)軸的伺服處理器，0軸控制兩軸之中的longitudinal (average)軸，1軸控制兩軸之中的yaw(difference)軸。對(duì)于4軸的伺服處理器，兩對(duì)龍門(mén)軸分別是，軸0 (longitudinal)和軸2 (yaw)，軸1(center of gravity)和軸3 (yaw)。

1.2 電機(jī)的標(biāo)志定義

● MFLAGS (axis) bit 1 (#OPEN) —在龍門(mén)模式下，1：開(kāi)環(huán)操作，使能longitudinal或者yaw

● MFLAGS (axis) bit 25 (#GANTRY)——1代表使能龍門(mén)操作

1.3 設(shè)置程序

以下設(shè)置程序針對(duì)兩軸伺服處理器。通過(guò)適當(dāng)?shù)男薷妮S號(hào)，我們可以將以下設(shè)置程序應(yīng)用于其他伺服處理器上。以下操作的前提是假設(shè)兩個(gè)龍門(mén)馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器都是相同的。

硬件設(shè)置：

1）連接0軸和1軸的馬達(dá)編碼器線纜到編碼器輸入端子上（只要馬達(dá)號(hào)和編碼器號(hào)匹配正確，哪個(gè)馬達(dá)對(duì)應(yīng)軸0或者軸1都沒(méi)有關(guān)系）。

2）分別連接軸0和軸1 的驅(qū)動(dòng)器輸出到軸0和軸1相對(duì)應(yīng)的馬達(dá)上。

3）設(shè)置Set MFLAGS(0).25 = 0 and MFLAGS(1).25 = 0以確保兩種正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

      設(shè)置MFLAGS(0).12 = 0, MFLAGS(0).13 = 0, MFLAGS(1).12 = 0, and MFLAGS(1).13 = 0.

4）打開(kāi)調(diào)試向?qū)?，按照普通?dú)立軸的設(shè)置方法設(shè)置軸0.

      對(duì)于初始調(diào)試，不要把位置誤差極限設(shè)置的太小。

5）保存結(jié)果到flash，轉(zhuǎn)向軸1.

6）將軸0的參數(shù)復(fù)制到軸1。

7）跳到前面的調(diào)試和換向，確認(rèn)軸0的參數(shù)可以讓軸1運(yùn)轉(zhuǎn)良好（確保軸0是 Disable的）

8）使用終端或者查看窗口，確認(rèn)兩個(gè)編碼器工作正確而且讀數(shù)方向相同。可以通過(guò)Disable這兩軸，用手推動(dòng)這兩軸到一個(gè)確定距離查看編碼器的讀書(shū)和方向。如果編碼器極性不對(duì)，應(yīng)該在硬件上進(jìn)行修改（交換A和A-）。

1.4 龍門(mén)調(diào)試

初始設(shè)置是讓馬達(dá)在非龍門(mén)模式下調(diào)試，每次只有一個(gè)軸使能。下面我們要在龍門(mén)模式下調(diào)試這兩個(gè)軸。

提示：調(diào)試龍門(mén)系統(tǒng)必須具備伺服控制環(huán)路理論、柏德圖、頻率分析的知識(shí)，如果需要幫助請(qǐng)聯(lián)系jasonhu@acsmotioncontrol.com.

初始龍門(mén)調(diào)試：

1）用手盡可能的將龍門(mén)軸的絲杠對(duì)其（適用于柔性龍門(mén)系統(tǒng)）。如果存在交叉軸負(fù)載，將其放在中間位置。

2）確認(rèn)每個(gè)軸的調(diào)試參數(shù)是相同的。

3）讓馬達(dá)以相同的速度規(guī)劃運(yùn)動(dòng)相同的距離。

4）從SLVKP開(kāi)始調(diào)節(jié)調(diào)試參數(shù)，之后調(diào)試SLVKI和SLPKP（似乎SLVKP需要被減少）。為了防止兩個(gè)馬達(dá)由于伺服參數(shù)不匹配造成相互排斥，必須同時(shí)改變兩軸的調(diào)試參數(shù)。

5）時(shí)域調(diào)試成功結(jié)束后，使用頻率響應(yīng)函數(shù)分析器（FRF）確認(rèn)各軸的穩(wěn)定性。確保使用頻率響應(yīng)函數(shù)分析器對(duì)兩軸都進(jìn)行分析。初始龍門(mén)模式調(diào)試結(jié)束后，保存調(diào)試參數(shù)以便今后在回零程序中使用。

真正的龍門(mén)調(diào)試：

下一步是進(jìn)入真正的龍門(mén)調(diào)試模式，優(yōu)化longitudinal和yaw軸參數(shù)。一定要記住，一旦進(jìn)入龍門(mén)調(diào)試會(huì)有一些變化。

a）FPOS(0)不再代表軸0 的編碼器，F(xiàn)POS(1)不再代表軸1的編碼器。此時(shí)FPOS(0)顯示的是longitudinal的位置，也就是軸0和軸1編碼器的平均值。FPOS(1)顯示的是yaw軸的位置，也就是軸0和軸1編碼器的差值。

b）讓軸0做longitudinal軸運(yùn)動(dòng)，這個(gè)命令是作用在兩個(gè)馬達(dá)上的。讓軸1做yaw軸運(yùn)動(dòng)，相反的命令被發(fā)送給兩個(gè)馬達(dá)。（提示：硬龍門(mén)系統(tǒng)對(duì)于偏離軸運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不是很好）

c）軸0的調(diào)試參數(shù)控制longitudinal軸，軸1的伺服參數(shù)控制yaw軸。

d）軸0的電流極限限制線性力。軸1的電流參數(shù)限制旋轉(zhuǎn)力矩。

記住這些變化，再次檢查電流極限。特別要注意，檢查軸1的XCURV 和 XCURI。這些參數(shù)必須被限定，尤其對(duì)于剛性龍門(mén)系統(tǒng)。

注意：因?yàn)閄RMS仍然是兩個(gè)獨(dú)立馬達(dá)或驅(qū)動(dòng)器電流的有效值的測(cè)試值，它不能被更改。

對(duì)于龍門(mén)模式之后的章節(jié)COG軸(center-of-gravity, longitudinal)對(duì)應(yīng)0軸，Yaw-axis對(duì)于1軸。

1）Disable 馬達(dá)，設(shè)置MFLAGS(0).25 和 MFLAGS(1).25 為1.

2）設(shè)置COG 和Yaw調(diào)試參數(shù)的初始值。COG的初始值可以設(shè)置為非龍門(mén)模式下軸0或者軸1的參數(shù)。大多數(shù)情況下，這可以導(dǎo)致一個(gè)穩(wěn)定的伺服調(diào)試。Yaw的調(diào)試參數(shù)通常要比這些值小。

3）對(duì)于硬龍門(mén)系統(tǒng)，在調(diào)試COG軸時(shí)，有時(shí)候需要打開(kāi)Yaw控制環(huán)路。  

      如何打開(kāi)？

4）Enable 馬達(dá)，用FRF分析器優(yōu)化COG軸調(diào)試參數(shù)

5）用FRF分析器優(yōu)化Yaw軸調(diào)試參數(shù)。

一旦龍門(mén)模式調(diào)試結(jié)束，保存所以參數(shù)到flash

1.5 換向

Commutation startup is required for future controller power-ups.  It can be done in several different ways:

換向啟動(dòng)將在未來(lái)的控制器上電時(shí)完成。目前有幾種方法完成。

● 換向命令——換向命令可以用于最小閉環(huán)帶寬30-40HZ的小型和中型龍門(mén)系統(tǒng)

● 步進(jìn)模式換向——在大型龍門(mén)系統(tǒng)應(yīng)用中推薦使用這種方法

● 霍爾換向——這種方法具有魯棒性，適用于任何系統(tǒng)。但是相對(duì)于之前的兩種方法精度略低。

換向命令：

關(guān)于換向命令的詳細(xì)介紹請(qǐng)參考SPiiPlus Setup Guide。一定要注意，在龍門(mén)系統(tǒng)中使用換向命令時(shí)，一定要分別對(duì)每個(gè)馬達(dá)分別使用，因此這一命令必須在非龍門(mén)模式下使用。這是保存一組非龍門(mén)模式下調(diào)試參數(shù)的原因之一。當(dāng)使用換向命令時(shí)，推薦的操作步驟如下：

1）Disable馬達(dá)進(jìn)入非龍門(mén)模式(MFLAGS(0).#GANTRY = 0, MFLAGS(1).#GANTRY= 0)

2）下載非龍門(mén)模式下的調(diào)試參數(shù)

3）Enable軸0，使用換向命令進(jìn)行自動(dòng)換向。結(jié)束后disable 軸0

4）軸1重復(fù)以上步驟

步進(jìn)模式換向：

步進(jìn)模式換向是讓軸以開(kāi)環(huán)步進(jìn)模式運(yùn)動(dòng)直到找到indexes的過(guò)程。一旦indexes被找到，換向相位從flash中取回。當(dāng)使用步進(jìn)模式換向時(shí)，推薦使用以下步驟：

1）Disable 馬達(dá)，進(jìn)入非龍門(mén)模式(MFLAGS(0).#GANTRY = 0, MFLAGS(1).#GANTRY = 0)

2）以步進(jìn)模式運(yùn)行軸0（整個(gè)過(guò)程中只有軸0是能動(dòng)的），直到限位開(kāi)關(guān)被觸發(fā)(或者停止被發(fā)現(xiàn))。反向運(yùn)行直到軸0和軸1的index被找到。

3）Disable 軸0，給軸0和軸1下載換向相位。

霍爾傳感器換向：

霍爾傳感器換向的詳細(xì)介紹請(qǐng)參閱SPiiPlus ACSPL+ Programmer’s Guide.

換向過(guò)程結(jié)束后可以進(jìn)入龍門(mén)操作模式。但是，對(duì)于大傾斜偏置系統(tǒng)這不是最好的方法，因?yàn)檫@樣可能造成yaw軸不穩(wěn)定。大多數(shù)情況下，當(dāng)非龍門(mén)模式調(diào)試參數(shù)可用時(shí)，推薦先在非龍門(mén)模式下回零馬達(dá)然后在進(jìn)入龍門(mén)操作模式

1.6 回零和傾斜對(duì)齊

回零的方法有很多，在這里我們只關(guān)注更通用的兩種方法：限位開(kāi)關(guān)回零和結(jié)束停止回零。對(duì)于這兩種方法我們都假設(shè)軸0和軸1上都存在indeses，而且回零過(guò)程已經(jīng)成功完成。

限位開(kāi)關(guān)回零：

限位開(kāi)關(guān)回零是將兩電機(jī)運(yùn)動(dòng)到限位開(kāi)關(guān)然后退回到index的過(guò)程。Index被用作新坐標(biāo)平面的初始點(diǎn)?；亓憧梢栽邶堥T(mén)模式下或者非龍門(mén)模式下完成，推薦使用非龍門(mén)模式。當(dāng)在非龍門(mén)模式下使用限位開(kāi)關(guān)回零時(shí)，推薦按照以下步驟：

1）Disable限位開(kāi)關(guān)的默認(rèn)響應(yīng)

2）讓兩個(gè)馬達(dá)同時(shí)朝相同方向同步運(yùn)行

3）一旦遇到一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，停止相應(yīng)的馬達(dá)。一旦兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)都被發(fā)現(xiàn)反向并重置index標(biāo)志。

4）一旦軸0和軸1的indexes都被觸發(fā)，停止運(yùn)動(dòng)。

5）用indexes設(shè)置各軸的零點(diǎn)位置

     SET FPOS(0) = FPOS(0) – ( IND(0) – OFFSET(0) )

     SET FPOS(1) = FPOS(1) – ( IND(1) – OFFSET(1) )

結(jié)束停止回零：

末端停止回零是運(yùn)動(dòng)兩個(gè)馬達(dá)到物理末端然后返回index的過(guò)程。通過(guò)監(jiān)測(cè)位置誤差可以判斷什么時(shí)候末端停止被觸發(fā)。對(duì)于這種方法，要想具有魯棒性，必須先通過(guò)以一個(gè)相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃測(cè)試運(yùn)動(dòng)機(jī)臺(tái)的最大位置誤差（尤其是有斜偏置存在時(shí)）。取一個(gè)略微大一點(diǎn)的值作為門(mén)限來(lái)判斷末端停止是否被觸發(fā)。這種方法可以在龍門(mén)模式和非龍門(mén)模式下使用，推薦在非龍門(mén)模式下使用。

在非龍門(mén)模式下使用末端停止回零時(shí)，推薦使用以下步驟。

1）減少兩軸 的輸出電流以防止損傷負(fù)載或者出現(xiàn)硬限位。（減少XCURI and XCURV）

2） 緩慢以相同方向移動(dòng)兩軸

3）一旦位置誤差門(mén)限被超出，停止相應(yīng)軸的運(yùn)動(dòng)。一旦兩軸都停止，反向運(yùn)動(dòng)，復(fù)位index標(biāo)志。

4）一旦兩軸的index都被觸發(fā)，停止運(yùn)動(dòng)。

5）重新設(shè)置輸出電流（重設(shè)XCURI 和XCURV）

6）用index給每個(gè)周設(shè)置零位

     SET FPOS(0) = FPOS(0) – ( IND(0) – OFFSET(0) )

     SET FPOS(1) = FPOS(1) – ( IND(1) – OFFSET(1) )

進(jìn)入真正的龍門(mén)模式：

從現(xiàn)在開(kāi)始，我們進(jìn)入真正的龍門(mén)模式操作。進(jìn)入龍門(mén)真正的龍門(mén)模式需要按照以下步驟。

1）Disable 軸0和軸1

2）設(shè)置MFLAGS(0).#GANTRY and MFLAGS(1).#GANTRY，以允許龍門(mén)模式操作

3）下載龍門(mén)模式調(diào)試參數(shù)和安全參數(shù)。

自動(dòng)斜對(duì)齊

不使用任何額外設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)寫(xiě)對(duì)齊的簡(jiǎn)單方法是監(jiān)控Yaw軸的驅(qū)動(dòng)電流。理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)交叉軸非常完美的垂直時(shí)，Yaw軸只需要最小的驅(qū)動(dòng)電流。噪聲問(wèn)題會(huì)使對(duì)最小電流的搜索成為不可能，因此，這個(gè)過(guò)程只搜索一個(gè)電流的門(mén)限值。電流門(mén)限選擇必須大于任何噪聲造成的電流波動(dòng)值。一個(gè)好的辦法是用一個(gè)較小的門(mén)限開(kāi)始運(yùn)行自動(dòng)斜對(duì)其多次。如果結(jié)果不是一致的，增加門(mén)限值重新開(kāi)始。這個(gè)門(mén)限值要比馬達(dá)的有效電流值小一些。電流搜索要在正負(fù)方向上都進(jìn)行，當(dāng)門(mén)限值增加了，Yaw 軸反饋位置要被保存。兩個(gè)位置反饋的中點(diǎn)將被認(rèn)為是Yaw軸驅(qū)動(dòng)電流最小位置。

在使用Yaw軸驅(qū)動(dòng)電流自動(dòng)完成寫(xiě)對(duì)齊時(shí)，推薦使用以下步驟。

1）朝一個(gè)方向慢慢運(yùn)動(dòng)Yaw軸

2）監(jiān)控驅(qū)動(dòng)電流，一旦電流超過(guò)門(mén)限值，存儲(chǔ)電流反饋位置。

3）反向運(yùn)動(dòng)Yaw軸直到電流門(mén)限再次超過(guò)門(mén)限，存儲(chǔ)反饋位置。

4）兩個(gè)反饋位置的平均值是Yaw軸的偏置，這個(gè)偏置將會(huì)被用到。設(shè)置Yaw軸反饋位置等于當(dāng)前反饋位置減去Yaw軸偏置。

4）存儲(chǔ)Yaw偏置到flash中。將來(lái)的回零程序可以從Flash中下載，到時(shí)候只需要步驟4就可以完成回零。

1.7 安全考慮

因?yàn)閮蓚€(gè)馬達(dá)之間存在耦合，龍門(mén)平臺(tái)比單軸馬達(dá)系統(tǒng)需要更多的保護(hù)控制， ACS公司在龍門(mén)控制支持中加入了大多數(shù)額外的保護(hù)功能，但是對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)理解這些保護(hù)特點(diǎn)和理解他們會(huì)如何影響終端用戶(hù)是很重要的。

Enable/Disable  龍門(mén)馬達(dá)

當(dāng)兩個(gè)馬達(dá)是在龍門(mén)模式下時(shí)，他們本質(zhì)上被當(dāng)做一個(gè)大馬達(dá)。如果其中一個(gè)馬達(dá)被Enable ，另一個(gè)也會(huì)被Enable。如果其中一個(gè)被disable,另一個(gè)也會(huì)被disable。

電流保護(hù)參數(shù)

現(xiàn)在電流保護(hù)參數(shù)XCURI 和XCURV有了不同的意義。由于這些原因，在系統(tǒng)從非龍門(mén)模式進(jìn)入龍門(mén)模式時(shí)有必要更改一些這些參數(shù)的值。XRMS 保護(hù)值保持不變。

● COG軸：XCURI and XCURV會(huì)分別限制閑置和峰值時(shí)的線性力矩。COG軸電流輸出將被平均作用在兩個(gè)馬達(dá)上。

● Yaw軸：: XCURI and XCURV將會(huì)分別限制限制和峰值時(shí)的旋轉(zhuǎn)力矩。Yaw電流輸出會(huì)作用于兩個(gè)馬達(dá)。一個(gè)馬達(dá)得到正Yaw電流，另一個(gè)將會(huì)得到負(fù)Yaw電流。為了減少被加載在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的額外力矩，最小化the XCURI and XCURV的值是很重要的。

舉一個(gè)例子：我們假設(shè)我們的驅(qū)動(dòng)器是5A的連續(xù)電流，10A的峰值電流。

如果COG軸的。XCURV是80（代表8A），Yaw軸被設(shè)置20（2A），在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，任何一個(gè)軸的電機(jī)得到10A的電流都是有可能的。如果COG軸輸出是8A，Yaw軸輸出是2A，一個(gè)馬達(dá)將會(huì)得到10A的電流，而兩一個(gè)馬達(dá)會(huì)得到6A的電流。

結(jié)束語(yǔ)：

通過(guò)上面的設(shè)置調(diào)試，用戶(hù)很容易的就調(diào)試出比較出色的龍門(mén)平臺(tái)。調(diào)試工具的人性化和簡(jiǎn)易化，即使你并不很懂伺服算法。非常適合不精于開(kāi)發(fā)伺服算法的控制工程師，或電氣工程師甚至機(jī)械專(zhuān)業(yè)工程師的使用。以保證用戶(hù)縮短機(jī)器研發(fā)時(shí)間，以及生產(chǎn)周期等方面有極大的效益。