隨著數字信號處理（dsp）技術的發展，很多復雜的控制任務在伺服驅動器內就能處理了，伺服驅動器也越來越智能化[1]。同時，工控領域越來越成熟的現場總線通信技術也為基于分布式控制體系的靈活模塊化的控制設計的實行提供了可能性。圖1便是一個分布式控制體系的結構簡圖。 [align=center] 圖1　基于canopen總線的分布式運動控制系統[/align] 主機控制器（plc或運動控制器）和伺服驅動器之間的通信是基于canopen標準的。這個解決方案可以用高性能模塊化的方式，方便的建立復雜的多軸控制應用程序。總線通信設備不需要編輯硬件，只要對已存在的控制系統的簡單參數，重新設定就可以應用于新產品中[2]。可以通過增加或者刪除控制元件（伺服驅動器，i/o模塊……）來編輯進程，而不需要對控制系統做大的編輯和改動。 　　 這種解決方案的靈活性是在工業生產自動化過程中長期保持競爭性位置的最大優勢:在縮減產品和技術生命周期的反饋中，能方便的對設備進行編輯和升級。由于數字電流，速度和位置伺服環都整合在了伺服驅動器中，也大大改進了伺服性能。無論是插補軸軌跡還是獨立軸軌跡，都必須能通過最終運動控制應用程序知道總線通信參數和控制任務的分配。在本文的第一部分將詳細討論這個問題。第二部分，主要針對插值法的軸在維護軸間配合時常需要執行的強制同步命令。本文的最后一部分，針對伺服驅動器設計講述如何能夠得到最好的精度和動態性能。 分布式運動控制體系 　　 在分布式運動控制體系中，智能伺服驅動器必須提供總線通信裝置，并能執行高水平的軸控制任務。總線裝置的設計和運動控制任務的分配是搭建一個高性能運動控制系統的關鍵點。插補運動控制程序是通過主機運動控制器計算多軸軌跡，然后再通過總線把軸位置設定點發送到每個伺服驅動器中。應用程序和控制進程仍然是在主機plc或運動控制器中設定的。但是，伺服驅動器為運動控制承擔了更多的責任，比如軟件和硬件的限位監管，電機制動模式控制和機器調試時低速運行的安全性。軌跡發生器也能夠通過最終應用程序被整合到伺服驅動器中。這樣就使得插值法軸應用程序和獨立應用程序的差別更大。 　　 很多機器人和機器工具要求插值運動控制（必須要能連續調整一部分軸）。在這個方案中，軸軌跡必須通過相同高頻率的處理器的計算以便維護軸間協調。 [align=center] 圖2　插補協調運動控制結構圖[/align] 如圖2所示，適合多軸插值的分布式運動控制體系是基于伺服驅動器的智能化，能夠執行包括位置速度和帶電力轉換的電流環的完整伺服控制任務。主機運動控制器進行多軸軌跡計算并通過一系列總線通信將位置設置點的數字信號發送到每個伺服驅動器中。三次插值是為了在伺服環取樣期內生成輪廓線，由在伺服驅動器中兩個相鄰的設定點中得到。當維護一個平滑運動控制時，這種技術能大量減少占用的主控制器的資源（設置點生成頻率）。這樣在給定的總線性能中，就能控制大量的軸了。圖３表示了三次插值的影響。在這個應用程序中，設定點生成頻率為100hz，伺服環采樣期為0.5ms。 [align=center] a）　無插補情況 b）　三次插補情況 圖3　伺服驅動中三次插補影響[/align] 在自動化領域的大多數運動控制中，不允許軸（軸軌跡獨立）間插值。這個方法不再需要集中的軌跡計算，這就使得軌跡計算可以分配到每個伺服驅動器中去。圖４就是相應的控制體系。 主機plc控制器很適合提供應用序列控制。這個解決方案基于能提供高性能運動控制并完全整合到plc環境中的智能伺服驅動器。所以，能在iec 1131-3標準程序語言中得到高水平的運動控制參數。 [align=center] 圖4　基于plc的分布式控制系統[/align] canopen通信 　　 現場總線是重要的組成部分和主要特點，類似同步，更新率或通信參數測定整個系統的性能。選擇can是因為它的高速，穩定和低成本[3][4]。傳輸速率在40m以內能達到1mbps隨著距離的拉長會有所降低。can系列總線廣泛的應用在自動化和自動化工業中，降低了硬件安裝的成本。can是基于公共總線上經過信息優先級選擇的信息廣播。同步和異步轉換模型在can中是區分開的，異步信息重點是伺服驅動器參數設置，而同步信息重點是運動控制和軸軌跡調整。 　　 專注于伺服驅動器應用canopen ds402已經落實。在這個方案中，目標位置通過總線由主機plc控制器發送給伺服驅動器，然后由伺服驅動器進行軌跡調整計算并完成置位。“插值位置”模型是用于插值式軸應用程序的。這個方案中，為了維護軸間配合，多軸軌跡發生器計算得到的位置設定點，必須在運動控制器和伺服驅動器中高頻率轉換。所以，占用的總線資源比之前的應用程序更多。同時，任何同步的錯位都會顯著降低控制通路的精確性。同步錯位是在主運動控制器和伺服驅動器之間取樣時間的不同產生的。總線傳輸延遲導致的振動也會產生同步錯位。如果一個位置設定點在伺服驅動器中能取出兩次，尤其要求高動態性能的時候，就會使零速參考信號超過一個取樣期，還會強烈刺激到伺服電機[5]。在定速運轉下總線振動對伺服電機的影響見圖5（a）。為了解決這個問題，伺服驅動器中必須要執行強制同步命令。為了得到伺服環誤差的正確計算，必須特別注意電機位置和速度測量。圖5（b）是在伺服驅動器內部執行強制伺服的改進。 [align=center] （a）　無插補情況 （b）　伺服驅動內部插補情況 圖5　現場總線節點在位置插補模式下影響[/align] 伺服驅動器設計 　　 伺服驅動器控制部分是一個單獨芯片的電機處理器（admc401），包括電機電流傳感，電機位置采集和適合功率級的ｐｗｍ脈沖發生器。這個設計是在一個只有很少元件的一體化伺服驅動器中性能最優的選擇結果。 　　 串級控制體系是最適合高性能伺服驅動器的，內部的電流控制環控制電機力矩，外部的速度和位置控制環的動態性能直接取決于內部電流環的表現。為了達到盡可能短的電機電流響應時間，并滿足伺服電機的最高速度范圍，外部電力轉換器的電壓范圍必須最大。電流控制器是基于在轉子參考坐標系空間向量建模（svm）技術。svm類函數中附加了第三方調制解頻器，這使得svm類函數相比于傳統的對稱三角模型給了伺服電機更高的速0度范圍（超過15%）[6]，見圖6。 [align=center] 圖6　伺服驅動模型方法下轉矩/速度曲線 a）　伺服閉環控制 b）　傳遞函數 圖7　速度和位置伺服控制結構 a）　伺服環位置應用程序 b）　包絡線應用程序 圖8　速度和位置伺服環調整[/align] 必須通過機械負載參數優化速度和位置伺服環調整，才能達到穩定和快速響應的狀態。位置伺服控制器設計是基于多項式控制體系和極點定位跟蹤方法的。多項式控制體系是最主要的控制器體系，并且非常適合參數整定。它假定驅動能通過圖7a中hmc和hmd的傳遞函數方程來表述。伺服控制器包括兩個傳遞方程hfb和hfw，主要作用于伺服環錯誤信號和伺服環參考信號。圖7b中的hsr和hsd分別是閉環輸出/參考和輸出/干擾的傳遞函數。控制器整定進程包括為了讓位置伺服環設定輸出/參考值和輸出/干擾，hsr和hsd傳遞函數中極點和零點的位置的設置。所以能把伺服環調整和跟蹤行為完全分離開。hmc和hmd傳遞函數從由機械設備本身設定的。設備傳遞函數機械在額定負載下執行鑒定程序得到的。執行器只選擇需要的帶寬，除了要求精密技術，自整定程序不要求任何特殊的伺服系統知識。 　　 在多項式控制體系也可以通過伺服驅動器應用程序簡單的編輯伺服環反饋。在圖8a）中，伺服環響應為軸位置應用程序優化了。這個方案，要求能迅速準確到達目標位置。在圖8b）中，伺服環響應為了包絡線應用程序優化了，在軸位移時位置誤差必須靠近零點。相比于以前的調整工作，現在只修改控制器hfw傳遞函數就可以滿足新的需求了。 　　 電機位置測量值是從旋變器反饋感應通過軟件旋變到數字轉換（rdc）的技術得到的。旋變的正弦和余弦反饋信號進入到admc401 12bit 數模轉換器（adc）通道，然后通過二階跟蹤濾波器計算得到電機速度和位置值。當要求電機運動很平滑時，可以在外部加一個16位的adc，加強位置解決方案。如圖9，可選的16位adc能大量降低速度波動和由于位置定量錯誤導致的電機噪聲。 [align=center] a）　12bit旋變信號 b）　16bit旋變信號 圖9　adc對旋變信號轉換的影響[/align] 結語 　　 基于canopen總線通信的運動控制和智能伺服驅動器是一個高效靈活的解決方案。本文所提到的智能伺服驅動器中的cd1k能執行高水平的多軸控制任務，為各種各樣的應用程序提供高性能運動控制解決方案。“插值位置”模式用于軸軌跡必須連續協調的應用程序。在這個方案中，因為在伺服驅動器內部提供的三次插值，主機運動控制器的占用資源被大量減少。通過機器中目標應用程序自整定程式在線運行就能調整優化速度和位置伺服環。