大速比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的高精度定位控制方法探討

徐炳

【摘 要】對(duì)于大減速比的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，終端測(cè)量系統(tǒng)輕微擾動(dòng)就會(huì)引起驅(qū)動(dòng)端的劇烈響應(yīng)，如何既能保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)，又能保證終端的定位精度，是此類控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文結(jié)合項(xiàng)目，介紹了控制平臺(tái)的選型搭建以及的幾種定位控制算法的比較。

【關(guān)鍵字】減速比;調(diào)速范圍; EtherCAT;動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

中圖分類號(hào)： TG333.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0087-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.042

High Precision Positioning Control Method of the Device with Great Deceleration Ratio

XU Bing

（Hangzhou ToSurm Technology Co.， Ltd， Hangzhou Zhejiang 310007， China）

【Abstract】For the device with great deceleration ratio， the slight disturbance of the terminal measurement system will cause the drastic response of the driver. How to ensure the stability of the driving system and the positioning accuracy of the terminal is the difficulty in the design of this kind of control system. Combining with the project， this paper introduces the selection and construction of the control platform and the comparison of several positioning control algorithms.

【Key words】Deceleration ratio; Tuning range; EtherCAT; Dynamic correction

為滿足某所的載荷試驗(yàn)要求，需要設(shè)計(jì)一套可以在真空冷黑環(huán)境下運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)模擬器，用于承載光學(xué)載荷并完成二維運(yùn)動(dòng)，其中兩軸的傳動(dòng)設(shè)計(jì)與定位控制是本項(xiàng)目的難點(diǎn)，本文結(jié)合項(xiàng)目，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如何提高定位精度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性，是本文研究的重點(diǎn)，這直接關(guān)系到后期載荷測(cè)試過(guò)程的安全、準(zhǔn)確。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

運(yùn)動(dòng)模擬器有方位機(jī)構(gòu)、仰俯機(jī)構(gòu)機(jī)平臺(tái)小車三部分組成，其中方位和仰俯兩軸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理類似，本文以方位機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行探討。方位軸研制指標(biāo)要求：

角位移測(cè)量精度：≤±1″

定位精度：±0.5′

最高轉(zhuǎn)速（Zmax）：2.5轉(zhuǎn)/小時(shí)

最低轉(zhuǎn)速（Zmin）：1轉(zhuǎn)/30天

如圖1所示，方位機(jī)構(gòu)由臺(tái)體框架（筒體）、回轉(zhuǎn)軸承、工作平臺(tái)、圓光柵、轉(zhuǎn)軸、動(dòng)力系統(tǒng)等組成，其中試件被固定于方位機(jī)構(gòu)的工作平臺(tái)上。其動(dòng)力傳遞路徑為：低溫真空伺服電機(jī)——大傳動(dòng)比多級(jí)齒輪減速器——自制一級(jí)齒輪減速——圓盤軸承——負(fù)載，以自身縱向中心軸為軸心作圓周360°運(yùn)動(dòng)，一級(jí)減速比（i1）為10800，二級(jí)減速（i2）比為168/29，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（ne）2800rpm。其中伺服電機(jī)本體帶有旋轉(zhuǎn)變壓器作為第一反饋，另外終端轉(zhuǎn)軸軸端安裝有分辨率為26位的絕對(duì)值圓光柵編碼器作為第二反饋。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸的控制系統(tǒng)一般由控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器等組成，控制選型必須針對(duì)軸動(dòng)作的機(jī)械特性，運(yùn)動(dòng)模擬器是一種低速重載傳動(dòng)系，電機(jī)的調(diào)速范圍要求特別廣，針對(duì)方位軸，軸最高轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

而常規(guī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)速范圍一般不超過(guò)100，顯然傳統(tǒng)的基于模擬量（±10V）的，精度約為10位的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足本系統(tǒng)的要求，否則軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制將無(wú)法保證，基于此，必須選擇一種基于數(shù)字總線控制的高精度控制系統(tǒng)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)Beckhoff的基于EtherCAT總線的控制系統(tǒng)滿足需求。

控制器選用Beckhoff的CX5020的嵌入式控制器，該控制器選用inter Atom Z530處理器，可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的掃描速度，并且內(nèi)置有EtherCAT宗信接口。驅(qū)動(dòng)器選用Beckhoff的AX5206雙軸驅(qū)動(dòng)器，并加裝了AX5722-0000編碼器卡，用于接BISS-C接口的絕對(duì)值光柵。軟件采用TwinCAT NC PTP 編程軟件，該軟件是基于PC的純軟件的運(yùn)動(dòng)控制，它的功能與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊、運(yùn)動(dòng)控 制卡類似。由于TwinCAT NC與PLC運(yùn)行在同一個(gè)CPU上，運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制之間的數(shù)據(jù) 交換更直接、快速[1]，因此TwinCAT NC比傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器更加靈活和強(qiáng)大。

3 控制算法比較

伺服電機(jī)的控制一般分為電流環(huán)、速度環(huán)，位置環(huán)，為提高電機(jī)的相應(yīng)速度，電流環(huán)也即扭矩控制，由電機(jī)軸端編碼器閉環(huán)控制，而對(duì)于速度環(huán)和位置環(huán)控制則有幾種方式，典型的控制邏輯如圖3所示。

方法一、由電機(jī)編碼器直接控制速度環(huán)和位置。優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)相應(yīng)快，但是對(duì)于本系統(tǒng)，由于減速比大，多級(jí)減速器中齒側(cè)間隙的累計(jì)疊加以及加工精度等影響[2]，測(cè)試后，控制精度很差，無(wú)法到達(dá)指標(biāo)要求。

方法二、由電機(jī)編碼器控制速度環(huán)，由終端的絕對(duì)值光柵編碼器作為位置環(huán)的反饋?zhàn)鏖]環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)是控制精度相對(duì)較好，但是同樣由于齒側(cè)間隙的緣故，在停車后由于長(zhǎng)傳動(dòng)積累的應(yīng)力慢慢釋放[2]，試車時(shí)發(fā)現(xiàn)停車后終端軸還會(huì)緩慢蠕動(dòng)，此時(shí)位置環(huán)會(huì)反向作用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由此造成系統(tǒng)的震蕩，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪的壽命影響很大。

方法三、開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法，同方法一類似，也是通過(guò)電機(jī)軸端的編碼器來(lái)控制速度環(huán)和位置環(huán)，但不一樣的是，停車前NC系統(tǒng)半閉環(huán)地利用終端光柵編碼器的讀數(shù)對(duì)當(dāng)前電機(jī)軸端旋轉(zhuǎn)變壓器計(jì)算得的當(dāng)前位置進(jìn)行修正補(bǔ)償，另外的還延長(zhǎng)了停車時(shí)的減速時(shí)間，在停車過(guò)程中能較好的釋放系統(tǒng)的應(yīng)力。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)不僅有很好的系統(tǒng)響應(yīng)速度，而且停車精度高，滿足研制指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

對(duì)于大減速比的傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于過(guò)程動(dòng)態(tài)精度要求不高，而對(duì)最終停車精度要求比較高的場(chǎng)合，利用第二反饋進(jìn)行環(huán)外動(dòng)態(tài)補(bǔ)償修正的方式，系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度，而且還能避免控制系統(tǒng)發(fā)生震蕩的可能性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛寶良，董亨.基于TwinCAT的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2016.14（2）.

[2]張慧博，等.考慮多間隙耦合關(guān)系的齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)分析[J].振動(dòng)與沖擊，2015（08）.