大速比傳動機構的高精度定位控制方法探討

徐炳

【摘 要】對于大減速比的傳動控制系統，終端測量系統輕微擾動就會引起驅動端的劇烈響應，如何既能保證驅動系統的平穩，又能保證終端的定位精度，是此類控制系統設計的難點，本文結合項目，介紹了控制平臺的選型搭建以及的幾種定位控制算法的比較。

【關鍵字】減速比;調速范圍; EtherCAT;動態補償

中圖分類號： TG333.24 文獻標識碼： A文章編號： 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要求，需要設計一套可以在真空冷黑環境下運行的運動模擬器，用于承載光學載荷并完成二維運動，其中兩軸的傳動設計與定位控制是本項目的難點，本文結合項目，對控制系統設計，如何提高定位精度以及系統穩定性，是本文研究的重點，這直接關系到后期載荷測試過程的安全、準確。

1 機械結構簡介

運動模擬器有方位機構、仰俯機構機平臺小車三部分組成，其中方位和仰俯兩軸機構的結構原理類似，本文以方位機構為例進行探討。方位軸研制指標要求：

角位移測量精度：≤±1″

定位精度：±0.5′

最高轉速（Zmax）：2.5轉/小時

最低轉速（Zmin）：1轉/30天

如圖1所示，方位機構由臺體框架（筒體）、回轉軸承、工作平臺、圓光柵、轉軸、動力系統等組成，其中試件被固定于方位機構的工作平臺上。其動力傳遞路徑為：低溫真空伺服電機——大傳動比多級齒輪減速器——自制一級齒輪減速——圓盤軸承——負載，以自身縱向中心軸為軸心作圓周360°運動，一級減速比（i1）為10800，二級減速（i2）比為168/29，電機額定轉速（ne）2800rpm。其中伺服電機本體帶有旋轉變壓器作為第一反饋，另外終端轉軸軸端安裝有分辨率為26位的絕對值圓光柵編碼器作為第二反饋。

2 控制系統設計

傳動軸的控制系統一般由控制器、伺服驅動器、編碼器等組成，控制選型必須針對軸動作的機械特性，運動模擬器是一種低速重載傳動系，電機的調速范圍要求特別廣，針對方位軸，軸最高轉速時，對應的電機轉速為：

而常規的傳動系統，調速范圍一般不超過100，顯然傳統的基于模擬量（±10V）的，精度約為10位的控制系統已經不能滿足本系統的要求，否則軸的轉動速度控制將無法保證，基于此，必須選擇一種基于數字總線控制的高精度控制系統，調研發現Beckhoff的基于EtherCAT總線的控制系統滿足需求。

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，可以實現微秒級的掃描速度，并且內置有EtherCAT宗信接口。驅動器選用Beckhoff的AX5206雙軸驅動器，并加裝了AX5722-0000編碼器卡，用于接BISS-C接口的絕對值光柵。軟件采用TwinCAT NC PTP 編程軟件，該軟件是基于PC的純軟件的運動控制，它的功能與傳統的運動控制模塊、運動控 制卡類似。由于TwinCAT NC與PLC運行在同一個CPU上，運動控制和邏輯控制之間的數據 交換更直接、快速[1]，因此TwinCAT NC比傳統的運動控制器更加靈活和強大。

3 控制算法比較

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

方法一、由電機編碼器直接控制速度環和位置。優點是，系統相應快，但是對于本系統，由于減速比大，多級減速器中齒側間隙的累計疊加以及加工精度等影響[2]，測試后，控制精度很差，無法到達指標要求。

方法二、由電機編碼器控制速度環，由終端的絕對值光柵編碼器作為位置環的反饋作閉環控制。優點是控制精度相對較好，但是同樣由于齒側間隙的緣故，在停車后由于長傳動積累的應力慢慢釋放[2]，試車時發現停車后終端軸還會緩慢蠕動，此時位置環會反向作用驅動電機，由此造成系統的震蕩，對傳動系統齒輪的壽命影響很大。

方法三、開環動態補償法，同方法一類似，也是通過電機軸端的編碼器來控制速度環和位置環，但不一樣的是，停車前NC系統半閉環地利用終端光柵編碼器的讀數對當前電機軸端旋轉變壓器計算得的當前位置進行修正補償，另外的還延長了停車時的減速時間，在停車過程中能較好的釋放系統的應力。經過測試，系統不僅有很好的系統響應速度，而且停車精度高，滿足研制指標要求。

4 結論

對于大減速比的傳動系統，對于過程動態精度要求不高，而對最終停車精度要求比較高的場合，利用第二反饋進行環外動態補償修正的方式，系統能夠達到較好的系統響應速度和精度，而且還能避免控制系統發生震蕩的可能性。

【參考文獻】

[1]牛寶良，董亨.基于TwinCAT的數字伺服控制系統設計[J].太赫茲科學與電子信息學報，2016.14（2）.

[2]張慧博，等.考慮多間隙耦合關系的齒輪系統非線性動力學分析[J].振動與沖擊，2015（08）.