Aerotech控制器高带宽闭环力控制

文:艾罗德克运动控制技术(上海)有限公司2019年第一期

    直线定位平台一般基于编码器按设定的运动轨迹进行精确定位。这些编码器一方面用于定位,另一方面通常同时用于无刷伺服电机的换向。

    然而对于某些应用而言,位置控制却没有力控制重要,比如材料压合应用。当把两个物体压合在一起时,如果我们是控制位置量,那么由于物体厚度、环氧树脂量和平台反向间隙等变化因素会极大地影响压合力的大小,造成力过大或过小而不能成功实现压合。如果我们将力反馈作为伺服环的“位置”给定,那么我们就可以确保每次都施加同样大小的力,不论如上影响因素如何变化。

气动解决方案的缺点是力控不够精细且难以适应各种工艺变化。

力控其它应用场合还有力数据回放和振动测试等。

    在如下的例子中,首先被测件在位置控制模式下移动到某个加载/卸载位置,当移动到目标位置时切换到力控模式进行测试或操作。此时,按工艺要求,可以保持一个恒力,或者某些情况下需要一个按设定时序精确变化的力。这就需要可以如控制位置一样控制力。

    有两种基本方法可以实现力控制:自动聚焦环路控制和传统PID环路控制。根据具体的应用场合选择其中某个更好的控制方式。我们这里描述的方法是传统PID方法,这个方法用于力闭环带宽要求较高的场合。自动聚焦方法通常只能达到1/5的PID方法的带宽。

    关键设置点:系统要设置成双闭环模式。编码器用作速度环路反馈输入和电机换向。测力传感器输出作为位置环路反馈输入。Ensemble控制器可以接收+/-10V模拟量输入信号。模拟输入通过16位ADC采样,所以其分辨率是+/-32767。

    此次测试中的力传感器输出+/-1V信号,所以Ensemble接收到的最大值会是+/-3276。

    当不需要力控而需要用于加载/卸载操作的简单定位控制时,可以通过简单的程序把控制器切换为单闭环控制模式,即设置位置反馈和速度反馈都来自编码器(光栅尺)。

以下测试中用到的产品和仪器如下:

控制器:EnsembleHPe10

直线平台:LMA-300(内装有BLM142电机和1um分辨率光栅尺)

力传感器:Omega51-50

参数设置:如下参数都要设置好

力控模式参数设置:

控制器

位置模式参数设置:

运动控制

    1CountsPerUnit基于Aerotech驱动器的ADC。16位模拟量输入的范围是+/-10V,-10V等于ADC的0单位,10V等于65536单位,0V等于32768单位。1磅力对应的ADC单位数需要通过计算得到。比如10V输出时对应测量到的力是350磅,那么CountsPerUnit就是32768/350=93.6229单位/磅。

    2CountsPerUnit基于分辨率和用户单位。比如当编码器分辨率为0.25um和编程单位为mm时,这个参数就是1mm/0.00025mm=4000CountsPerUnit。

    3CountsPerUnit参数更改需要重启控制器才能生效。如下例子中,这可用于计算一个转换系数,这样运动指令可以按一定比例转换,从而可以保持原有的系数而编程中可以用新的单位。

运动控制

    两种模式的调试参数会有所不同,可以基于力控模式还是位置控制模式设置成不同值。

    每种模式的增益参数需要分别调试。Autotune工具可以用于位置控制模式调试。Autotune同样也可以用于力控模式,或者可以通过阶跃响应方法来手动调试增益参数。

运动控制

图1:阶跃相应曲线观察误差变化

例子程序:

首先系统设置成基于编码器反馈的位置控制模式,然后切换到力控模式。

程序中的参数基于位置控制模式设定。例程调用了ForceControl函数库。

速度反馈类型不能配置成NONE值。

运动控制

运动控制

运动控制

以上程序的部分力控曲线图:

运动控制

同一图上显示力控和卸载运动曲线:

运动控制

以7磅力幅值和3Hz频率往复力控制:

运动控制

以1磅力单位增量步进然后返回曲线图:

运动控制

如上图中某个步进阶梯的在位稳定性放大图(以AD计数为单位):

运动控制

如上图以磅为单位时:

运动控制

    从上图中我们可以观察到模拟量输入变化值是644uV。每个AD单位计数约为305uV,因此抖动幅度为2个计数单位。基于力传感器的分辨率可以判断你可以多快地跟随给定的力命令。

翻译:胡杰辉,控制系统经理,Aerotech中国,jason.hu@aerotech-china.com

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