双环运动控制与一个编码器

双环控制常用于提高运动控制系统的性能。虽然这看起来很复杂，但达到所需精度水平所需的总体系统成本和复杂性通常会显著降低。在示例系统中，通过使用二次反馈装置，机械刚度提高了约100倍。

对于单回路丝杠系统，反馈通常位于电机的背面。系统中传感器和负载之间的每个元件都增加了不确定性。

• 安装在电机上的反馈对轴的载荷扭转是不可见的。
• 电机和丝杠之间的联轴器在负载下变形，造成电机轴和丝杠之间的误差。
• 丝杠本身也可以在负载下表现出扭转，随着负载和螺母相对于丝杠的从动端位置的变化而变化。
• 丝杠本身通常有周期性的误差，这可能是非常昂贵的，以尽量减少，螺母间隙最小化可以增加负载以及磨损的系统。
• 最后，止推轴承的精度也直接影响系统。

其结果是，系统中的许多元素都可能降低性能，并且收紧系统(减少运动应该在哪里和它在哪里之间的差异)可能是昂贵的。由于反馈只感知到电机的后轴，在那之后发生的很多事情对控制系统来说是未知的，所以它无法被纠正。

添加第二个反馈传感器(如图2所示的光学轨迹)，测量接近系统末端执行器的位置，可以显著提高性能并降低成本。再看看上面的系统，大部分的误差贡献是在二次控制回路内;这种误差是可以测量和修正的。在良好的增益余量下，系统误差可以减小到接近二次反馈传感器的误差。滚丝杠可以代替地丝杠，其螺纹螺距变化，累积和周期性，补偿使用额外的反馈传感器。不同元素的热膨胀系数也可以补偿。

为了获得有效的双环刚度，仍然需要良好的系统带宽。系统元件的选择应尽量减少运动损失。更紧的系统减少了控制系统仅仅保持固定位置所需的纠正动作。其他周期性误差，如丝杠螺距变化和热效应，不会影响系统的稳定性，并且可以很好地容忍，但如果明显，可能需要更多的控制努力。在环路内，误差通常由系统的增益近似减小，因此需要一个高增益系统。

速度反馈为系统提供了相位稳定性，因为位置反馈比提供的扭矩相位差180度以上(180度是最乐观的)。这种速度反馈通常是从靠近电机的地方获取的，以便在纠正运动丢失或反弹时，对输入系统的能量进行传感和控制。

Ibex工程公司测试的丝杆系统使用0.1微米的二次反馈，直接由带有集成解析器的混合伺服驱动(图1)，在电机上提供32,000个计数分辨率，相当于每个计数0.25微米。当增加20牛顿(5磅)负载时，闭环系统在+/- 2计数内保持位置。当施加负载时，电机通过移动大约+/-225计数(2.5度)来纠正系统在此负载下的顺应性。使用相同的系统操作单回路，电机将在+/-2计数内保持稳定，因为在任何方向上施加20牛顿(5磅)负载，而线性刻度显示大约+/- 120计数(12微米)的运动。因此，适当实施的双环系统在补偿丝杠公差方面表现出色，并且在负载下显着加强了由此产生的系统。

集成电机、解析器

解析器作为励磁线圈和感应线圈之间的可变变压器来确定位置。当转子部件旋转时，耦合通常呈正弦变化。在一个典型的解析器励磁是通过电刷到转子内的线圈，与定子上的传感器，或通过一个单独的励磁定子，是耦合到转子的一部分旋转变压器，然后激励转子绕组相反的定子感测绕组。这种配置需要多个转子和定子组件来感知位置，所有这些都需要添加到电机本身。除了增加的部件、体积和重量外，还必须提供单独的传感器激励驱动器，并且需要一定程度的磁隔离，以防止电机脉宽调制(PWM)噪声进入解析器传感电路。

典型的单线圈励磁，双线圈感应，励磁正弦波通过零伏两次每驱动周期，造成“盲”时期的解决方案，当它必须使用滤波技术来估计电机正在做什么，而解决方案是在这个励磁零交叉区域。这些技术会在系统内造成延迟和相位裕度损失。

集成编码器如何帮助

通过重用电机磁路和PWM驱动器为位置传感线圈提供激励，将解析器集成在电机内克服了许多这些障碍。由PWM驱动产生的电机纹波电流，会产生一个时变的高频磁通分量。转子和定子齿之间的重叠程度通过不同组的定子齿来调节路径的有效磁阻。因此，纹波通量被可变地定向到传感器线圈的不同部分，当检测到的电压被适当采样时，近似地产生正弦和余弦信号，与电机PWM驱动器同步。由于正弦和余弦信号更新每个PWM周期，延迟是最小的，不会降低系统的相位裕度。

传感器的电周期与电机的电周期相匹配。由于传感器采用与电机相同的磁性设计，信号自动对齐并用于换向，而无需进行相位调整。当使用高极数混合伺服电机时，每旋转有50个电循环。每个周期有640个位置，由此产生的分辨率是每次旋转32,000个计数。

该传感器由一个坚固的聚酰胺挠性电路组成，该电路将传感器线圈固定在电机的定子上。该传感器可以被制成超过电机的温度和其他环境能力，从而使所得到的系统具有电机的环境等级，并具有与电机匹配的足迹。

- Donald Labriola，私人股本，QuickSilver Controls Inc.总裁。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程，mhoske@cfemedia.com。

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关键概念

• 双环控制可以提高运动控制系统的性能。
• 可以降低所需精度水平所需的系统成本和复杂性。
• 通过在电机中集成二次反馈装置，运动系统的机械刚度增加了100倍。

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使用双环控制可以改进哪些运动系统设计?

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请参阅相关的运动控制反馈文章下面的位置控制没有单独的编码器和关于机器人海豚下面。

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