1、綜述

雙閉環(huán)控制一般應用在電機和負載之間存在剛性較差的系統(tǒng)中，如圖1所示的帶傳動系統(tǒng)。對于此類應用雙閉環(huán)系統(tǒng)能有效克服單閉環(huán)系統(tǒng)的缺點，如降低剛性差和反向間隙帶來的動態(tài)性能下降。

圖1雙閉環(huán)系統(tǒng)

圖2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

本文檔將結(jié)合ACS獨有SPiiPlusMMI調(diào)試工具介紹雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)步驟。

1.1雙閉環(huán)的理論基礎

在ACS運動控制產(chǎn)品中實現(xiàn)軸的雙閉環(huán)控制是非常方便的，用戶只需把不同的編碼器反饋通道或者模擬量輸入分配給軸即可，但是軸和這些通道必須隸屬于同一個伺服處理芯片（一般一個伺服處理芯片最多支持四個軸）。

軸的雙閉環(huán)控制是基于至少兩路反饋通道的：

負載位置反饋—用作位置環(huán)的輸入

電機位置反饋—用作速度環(huán)及電機換向的輸入

圖2為一個典型雙閉環(huán)控制的框圖。

1.2ACSPL+變量

以下的ACSPL+變量將應用在雙閉環(huán)控制中：

1.2.1MFLAGS

MFLAGS是一個整數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，元素有一系列的狀態(tài)位組成，用來配置電機。

為了把系統(tǒng)設置為雙閉環(huán)控制，相關軸的MFLAGS的位20（#DUALLOOP）需要被置1，例如MFLAGS(0).#DUALLOOP=1，設置0軸為雙閉環(huán)控制，此時二階濾波器從速度環(huán)移至位置環(huán)中。

1.2.2SLVRAT

SLVRAT是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來定義位置環(huán)反饋和速度環(huán)反饋之間的減速比：

SLVRAT=position resolution/velocity resolution

1.2.3SLVKP

SLVKP是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來給特定軸的速度增加一個比例系數(shù)。

1.2.4XVEL

XVEL是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來定義軸的最大允許速度。

XVEL會導致速度環(huán)比例增益SLVKP的有效值發(fā)生變化：在雙閉環(huán)中，SLVKP有效值計算如下：

如果XVEL[loadfeedbackcounts/sec]>221時，實際增益是減小的，詳見稍后的公式，其他情況實際增益是增

加的。

1.2.5EFAC

EFAC是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來定義在原始編碼器反饋的count值和控制器計算的變量值FPOS之間的因子。

格式如：EFAC(axis_index)=value(value范圍1-15….1+15默認值為1)

1.2.6FACC

FACC是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來定義軸的加速度反饋值。

1.2.7Routing變量

SLPROUT

SLPROUT是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來設置對應軸的位置環(huán)反饋通道。

格式如：SLPROUT(axis_index)=value

Value指定反饋來源如表1所示。

當為默認值0時，控制器支持標準的閉環(huán)控制配置，即FPOS(0)為0編碼器反饋，F(xiàn)POS(1)為1編碼器反饋等等。當SLPROUT≠0時，表明FPOS是來源于其他編碼器。例如SLPROUT(0)=104，表示FPOS來源于模擬量輸入0而不是編碼器，此時反饋可能是電位計或者其他能夠輸出模擬量表征電機位置的器件。

表1：SLPROUTValues

SLVROUT

SLVROUT是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來設置對應軸的速度環(huán)反饋通道。

格式如：SLVROUT(axis_index)=value

Value指定反饋來源如表2所示。

SLCROUT

SLCROUT是一個實數(shù)類型的一維數(shù)組，每一個元素對應系統(tǒng)里的每一個軸，用來設置對應軸的速度換向反饋通道。

格式如：SLCROUT(axis_index)=value

Value指定反饋來源如表3所示。

表2 SLVROUTValues

2、配置雙閉環(huán)控制的步驟

步驟分為兩部分：

電機軸端設置

此時的軸是與電機有物理連接的軸號。

負載端設置

此時負載軸號表示負載反饋通道。

通常電機軸號可以與實際電機編碼器反饋通道不一樣，但是本文假定電機編碼器反饋通道和電機軸號一致，并且兩個反饋通道都使用負載用戶單位而不是count。在這種情況下，雙閉環(huán)的設置是簡單的，改動較少的。

為了能夠更好介紹雙閉環(huán)的步驟，系統(tǒng)配置示例如下：

絲杠驅(qū)動直線平臺

直線式編碼器反饋平臺位置，電機旋轉(zhuǎn)編碼器反饋速度及換向。

用戶單位：mm

電機連接在axis0

電機反饋編碼器連接在axis0，旋轉(zhuǎn)正交編碼器，分辨率

2000lines/revolution

負載反饋連接在axis1，直線正交編碼器，分辨率12500lines/mm

兩個反饋內(nèi)部分頻倍數(shù)都為4

絲杠導程：25.4mm/revolution

2.1AXISSetup

我們將使用SPiiPlusMMIApplicationSthdio中的AdjusterWizard功能設置軸參數(shù)，它非常容易設置單軸參數(shù)，節(jié)省用戶時間。

（1）進入AdjusterWizard中SelectTask選項，選擇軸號及選擇設置新系統(tǒng)或控制器選項。

點擊Next如圖3所示。

表3 SLCROUTValues

（2）填寫詳細用戶信息在Initialization窗口，然后點擊Next如圖4所示。

（3）AxisStructure:選擇SingleMotor，RotaryMotorandLinearLoad-IndirectDrive:Lead-Screw，減速比為1（如果電機和絲杠間有減速比請?zhí)顚憣嶋H值），反饋結(jié)構(gòu)：Single,onmotor，用戶單位作用在Load，用戶單位mm。如圖5所示。

（4）繼續(xù)設置直到AxisSetupandTuning步驟，跳過PositionandVelocityLoopstuning.

圖3

圖4

圖5

（5）SavetoFlash然后退出。

（6）計算EFAC(axis)

EFAC(axis)用來定義電機反饋counts和負載用戶單位之間的比例，可用下列公式計算：

本文中參數(shù)計算如下：

EFAC(AXIS)=25.4/(2000*4)=0.003175mm

2.2負載端設置

通過AdjusterWizard已經(jīng)計算了參數(shù)EFAC(AXIS),下面將計算

EFAC(LOAD).

EFAC(LOAD)=1/(12500*4)=0.00002

設置完成后可移動負載一小段距離驗證EFAC設置是否正確，如果負載反饋沒有改變，可用命令FCLEARLOAD清除錯誤，復位反饋。

設置正確后將用SPiiPlusMMIApplicationStudio中的FRFAnalyzer工具進行單獨位置環(huán)、速度環(huán)分析，可修改SLPKP和Bi-Quad濾波器的參數(shù)，步驟如下：

圖6

（1）在CommunicationTerminal里輸入命令MFLAGS(AXIS).20=1，進入雙閉環(huán)控制模式。

（2）打開FRFAnalyzer。

（3）調(diào)試速度環(huán)參數(shù)，此時二階濾波是被禁止的，因為通過MFLAGS

（AXIS）.20=1命令已經(jīng)被移到位置環(huán)了。

（4）軸禁止使能，計算SLVRAT(AXIS)參數(shù)，計算公式如下：

本例中計算值為：

SLVRAT=EFAC(AXIS)/EFAC(LOAD)=0.003175/0.00002=158.75

（5）設置軸反饋系數(shù)為負載反饋系數(shù)

EFACNEW(AXIS)=EFAC(LOAD)=0.00002

如果電機可以移動，可用下列步驟驗證SLVRAT設置是否正確：

兩個反饋位置清零FPOS(0)，F(xiàn)POS(1)

軸禁止使能

手動移動軸到任意位置

計算FPOS(LOAD)/FPOS(AXIS)，值應該接近第四步的計算值。

（6）通過命令SLPROUT(AXIS)分配負載反饋為軸的位置反饋通道，命令定義參見表1。

例如我們分配負載反饋通道從軸1到軸0：

SLPROUT(0)=101

（7）如果你想繼續(xù)看到電機的反饋，你可以像負載反饋分配一樣用SLPROUT指令分配到其他軸號上。

（8）用FRFAnalyzer工具單獨調(diào)試位置環(huán)，必要時應用二階濾波參數(shù)，典型濾波有Notchfilter和Leadfilter，可提高系統(tǒng)帶寬和穩(wěn)定性余度。

提示：在調(diào)試位置環(huán)時，為了產(chǎn)生準確的測量參數(shù)和避免系統(tǒng)損壞，記得改變XVEL的值，因為這是一個速度命令而不是電流。

（9）負載反饋被用作位置環(huán)，電機反饋被用來換向和

電流環(huán)，因為使用同樣的用戶單位，XVEL(0)不用改變，電流環(huán)也不用再做進一步調(diào)試了。

我們可以看出，XVEL在分配負載反饋到位置環(huán)后沒有發(fā)生變化，因此也不需要在調(diào)試速度環(huán)了。

位置環(huán)調(diào)試時，當二階濾波配置成陷波時，比例增益可進一步放大。

3、雙閉環(huán)限位問題

當執(zhí)行SLPROUT(AXIS)≠0的命令后，當前軸的硬限位也會被分配到負載通道的軸號上，導致限位不能正常使用，需要執(zhí)行SLLROUT命令重新分配限位通道，格式如下：

SLLROUT(AXIS)=value如表4所示。

表4

需要注意的是SLLROUT命令得2.30以上控制版本才支持。

4、結(jié)論

ACS雙閉環(huán)控制能夠克服機械剛性不足及傳動間隙帶來的誤差，提高控制精度，單獨速度環(huán)，位置環(huán)FRF分析優(yōu)化，提供Notch及多個二級濾波器使用，提高系統(tǒng)帶寬及響應能力，適于各種高速高精密控制應用場合。