基于軟PLC的高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用

一、高精度定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

? ? ? 在高精度定位平臺方面，國外出現(xiàn)了不同形式的精密定位平臺發(fā)展產(chǎn)品，而我國在精密定位平臺的研發(fā)方面尚處于落后趨勢，在高速高精密定位領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，大部分高精密產(chǎn)品都依賴進(jìn)口，而國外為了控制高新技術(shù)，限制向我國出口。為加快我國高精度產(chǎn)業(yè)及制造業(yè)的快速發(fā)展，對精密定位技術(shù)的研究已經(jīng)迫在眉睫。

? ? ? 控制是影響定位平臺定位精度的重要因素之一，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，目前國外主要有PMAC、ACS、NEWPORT、AEROTECH等高端控制器，但是這些控制器比較封閉，有的甚至需要專門學(xué)習(xí)其對應(yīng)的開發(fā)語言，如ACS的ACSPL+，這無疑增加了開發(fā)的難度。

? ???為追求更高的定位平臺精度，本應(yīng)用選用了倍福的Twincat控制平臺，結(jié)合EtherCAT技術(shù)，研究分析如何利用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和多種補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)高精度定位的目的。

二、主要配置介紹

軟PLC系統(tǒng)

? ? ??軟PLC是運(yùn)行在工業(yè)PC上的一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)控制內(nèi)核，它既有所有硬PLC的性能、功能、可靠性、速度、糾錯(cuò)等特性，又有它自己的特性，即開放結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

軟PLC主要亮點(diǎn)

可運(yùn)行在大多數(shù)計(jì)算機(jī)平臺上(386、486、奔騰)，獨(dú)立于硬件總線(如ISA、PCI、VME、PC104、STD)。 ?

支持I/O點(diǎn)多達(dá)8192點(diǎn)，包括數(shù)字、模擬和特殊I/O點(diǎn)，可選擇的I/O硬件商有Allen-Bradley、GE Fanuc、DeviceNet、Profibus、MTL8000等。 ?

超過1M的用戶邏輯/數(shù)據(jù)表容量。 ?

支持梯形邏輯、C/C++和Java編程。 ?

支持在線運(yùn)行模式，可在線程序修改和I/O強(qiáng)制。

EtherCAT總線

? ? ? EtherCAT是迄今為止速度最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之一，同時(shí)它提供納秒級精度的同步。EtherCAT將I/O現(xiàn)場總線通訊、驅(qū)動(dòng)通訊整合在同一個(gè)系統(tǒng)中。由于 EtherCAT可實(shí)現(xiàn)高同步精度以及小于1ms的周期時(shí)間，因此能夠確保大幅提升設(shè)備性能和效率。結(jié)合其他基于EtherCAT的高端驅(qū)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)控控制提供有力的支撐。

EtherCAT主要亮點(diǎn)

數(shù)據(jù)高速交互：1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。

分布式時(shí)鐘（實(shí)時(shí)特性）：精確同步在廣泛要求同時(shí)動(dòng)作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個(gè)伺服軸在執(zhí)行同時(shí)聯(lián)動(dòng)任務(wù)時(shí)。

熱連接：“熱連接”功能可以將網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分連在一起或斷開，或“動(dòng)態(tài)”進(jìn)行重新組態(tài)，從而針對變化的組態(tài)提供靈活的響應(yīng)能力。

開放性：EtherCAT是一個(gè)完全開放式協(xié)議，它已被認(rèn)定為一個(gè)正式IEC規(guī)范（IEC/PAS62407）。

高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心

一網(wǎng)到底的總線結(jié)構(gòu)

總線直達(dá)I/O，不再需要I/O內(nèi)部總線到現(xiàn)場總線的接力；

DMA直接將總線傳上來的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存，不再經(jīng)過CPU；

單一系統(tǒng)即可涵蓋所有設(shè)備：輸入輸出、傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)、顯示等；

無網(wǎng)關(guān)延遲。

集成在VS的開發(fā)環(huán)境

僅需采用一個(gè)軟件就可對項(xiàng)目進(jìn)行配置、編程、調(diào)試和診斷；

可以提供C/C++、C#、VB.NET編程語言和至Matlab/Simulink的鏈接；

高級語言加持，功能非常強(qiáng)大，非常適合精益求精的開發(fā)。

高精度補(bǔ)償算法

三、測試數(shù)據(jù)分析

運(yùn)動(dòng)控制整體成果展示

間隙補(bǔ)償及效果展示

（1）功能實(shí)施：

（2）補(bǔ)償后的效果展示：

螺距補(bǔ)償及效果展示

（1）功能塊：

（2）補(bǔ)償后的效果展示：

齒槽補(bǔ)償及效果展示(針對有鐵芯直驅(qū)場景)

（1）齒槽效應(yīng)=磁吸力引起的齒槽力(物理效應(yīng))?

不需要的和不均勻的吸引力

降低了精度和同步性

（2）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的齒槽補(bǔ)償

數(shù)據(jù)采集：通過正反方向的尋參確定原始數(shù)據(jù)

模型訓(xùn)練：用原始數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)

結(jié)果：位置相關(guān)的電流值

應(yīng)用：電流值轉(zhuǎn)化為速度控制器的參數(shù)

（3）補(bǔ)償后的效果展示：

NC軸多段位置補(bǔ)償及效果展示

（1）NC軸可以實(shí)現(xiàn)多段位置補(bǔ)償功能。如下圖所示，NC軸在0到1000的絕對位置段內(nèi)每間隔100長度（也可不等長間隔）進(jìn)行不同長度的補(bǔ)償。

NC軸多端位置補(bǔ)償功能需要通過PLC功能塊的方式實(shí)現(xiàn)，涉及到的功能塊和結(jié)構(gòu)體有：

① MC_TableBasedPositionCompensation； ② ST_PositionCompensationTableElement； ③ ST_PositionCompensationTableParameter。

（2）在軸參數(shù)中開啟PositionCorrection功能。

（3）代碼展示：下圖是整個(gè)位置補(bǔ)償表的數(shù)據(jù)。 （ST_PositionCompensationTableElement部分）

（4）補(bǔ)償后的效果展示：

四、總結(jié)

? ? ??通過上述驗(yàn)證分析，結(jié)果表明：該基于軟PLC的高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使平臺的運(yùn)動(dòng)控制精度、定位精度得到了很大提升。本應(yīng)用基于軟PLC另辟蹊徑，利用成熟的PC技術(shù)，加持高級語言的算法、友好的IDE及豐富的開發(fā)資源，為打造高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)尋找到了有效的技術(shù)路線。

審核編輯：劉清