运动控制教程:如何在不增加振动或沉降时间的情况下提高吞吐量

作者:Cameron Sheikholeslami, ACS运动控制控制工程

本杰明·富兰克林的名言“时间就是金钱”，在今天和18世纪一样适用。具体来说，现代制造系统的原始设备制造商正在努力提高机器吞吐量，同时保持尽可能低的成本。许多自动化提供商为这种困境提供了许多不同的解决方案，为您的特定应用程序选择应该实现哪种解决方案可能成为一个困难的决定。
本文将重点介绍在现有机器上提高吞吐量的一些最流行方法的优缺点，包括最优运动剖面生成、不激发共振的特殊运动剖面、被动隔离系统、带反馈控制器的主动隔离系统、带前馈控制器的主动隔离系统和高级干扰抑制算法。
我们将讨论的提高机器吞吐量的第一种方法是确定一个最优运动剖面。最直观的技术是简单地增加运动速度、加速度和抖动，从而减少命令的移动时间。虽然加速度和速度的值受驱动电流和电压的限制，但利用最大值通常不是最佳实践。下面的两幅图展示了一个极端的例子，更短的命令移动时间导致更长的总移动时间。

左图显示了两种不同的速度分布。右图为对应的位置误差。来源:ACS运动控制

左图为相同行驶距离下的两种不同速度分布，右图为相应位置误差。这种行为背后的原因是，减少命令的移动时间将导致稳定时间的增加，当更高分辨率的编码器与更紧的稳定窗口耦合时，这种影响更加明显。由于总移动时间等于命令移动时间加上设置时间，这导致了最优命令移动的发生，超过该命令移动的任何更快或更慢将导致更长的总移动。确定这一最佳指令移动的最常见技术是通过试错过程。不幸的是，即使在找到最优的命令移动之后，仍然可能无法获得所需的吞吐量。

这导致了一种不同的技术，用于改变运动轮廓，以增加系统的吞吐量-调整输入不要引起共鸣。所有运动系统都有由特定频段激发的共振模式。这些谐振模式通常是导致延长的沉降时间，限制了系统的吞吐量。简单地说，通过塑造运动剖面不包括这些频段，共振将不会被激发，沉降时间将会减少。形成运动轮廓的过程是两方面的;测量共振模式，然后从运动剖面中消除它们。测量谐振模态最简单的方法是利用电机位置传感器测量的位置误差。通过对位置误差进行傅里叶变换，可以计算出最强谐振模式。然而，有时谐振模式对位置传感器是不可见的。在这种情况下，必须使用外部传感器来测量谐振频率。 Eliminating the resonant modes from the motion profile is a slightly more difficult process, but patented methods exist that perform very well, even with low frequency resonances. The main disadvantages of shaping the commanded input is that it can only eliminate specific frequency resonant modes, it can slightly increase the commanded move time and the most common method to eliminate the resonances is patented and therefore costs money to use.
另一种提高机器吞吐量的方法是使用隔离系统。在许多情况下，运动系统位于制造车间，因此存在许多外部干扰。这些干扰对沉降时间有负面影响，并可能成为增加机器吞吐量的限制因素。隔离系统的工作是将运动系统与可能从地板进入的干扰分离开来，它们有两种不同的包装，被动和主动。
被动隔离系统典型地利用软弹簧支撑的基础质量。弹簧可以由不同类型的材料制成，包括空气、金属和橡胶。弹簧的工作原理是将弹簧共振以上的系统振动降至最低。因此，被动隔离系统的制造商倾向于降低弹簧的谐振频率以增加有效隔离范围。低频共振的一个结果是弹簧往往非常软，这对快速移动的舞台是有害的。当一个强大的伺服力应用于负载时，它也作用于底座，并可能引起低频振动。由于在这些频率区域的阻尼很轻，振动往往持续很长时间。下图通过比较忽略孤立系统振动阶段的位置误差(蓝色)和包含孤立系统振动阶段的位置误差(红色)来说明这一趋势。

带有(红色)和没有(蓝色)隔离系统振动的位置误差。来源:ACS运动控制

主动隔离系统在较小的程度上展示这种现象。主动隔离系统利用传感器向反馈或前馈控制器发送信号，以抵消振动力。反馈主动隔离系统通过测量影响隔离底座的振动来工作，并试图通过使用驱动器来减少振动。与被动隔离系统相比，这有一个额外的好处，因为反馈隔离系统既吸收来自地板的振动能量，也吸收由移动平台形成的振动。然而，要正确地设置反馈控制器以保持高性能和稳定性，需要复杂的调优过程。此外，需要定期对这些系统进行调优重新调整。由于需要额外的传感器和数字控制器，反馈隔离系统的成本也很高。
前馈主动隔离系统是实现主动隔离系统的一种更经济的方式，因为它们不需要任何额外的传感器。前馈隔离系统的工作原理是将与施加的力成比例的信号发送给前馈控制器，然后可以控制执行器产生相反的力。由于现代运动控制器生成运动剖面，一个与加速度成比例的信号可以发送到前馈控制器。假设负载不变化(或以确定的方式变化)，这个信号将与施加的力成比例。在多轴系统的许多情况下，由于扭转，位置信息也被发送到前馈控制器。例如，假设我们有一个X-Y阶段。如果y位置处于最负的位置，并且施加x力，则会发生顺时针扭转。然而，如果y位置处于最正的位置，并且施加x力，则会发生逆时针扭转。前馈主动隔离系统的其他好处是，它们不会变得不稳定，沉降时间的改善可以非常显著。然而，与反馈主动隔离系统类似，需要对前馈增益进行适当的设置和调整，以实现最佳性能。 Also, even with the optimal setup of isolation systems, the desired throughput might not yet be obtained.
最后一种提高系统吞吐量的方法是应用先进的干扰抑制算法。大多数标准的高性能运动控制器使用改进的PID控制算法，加上一个低通滤波器。对于许多应用，这些伺服算法更足以实现高吞吐量和稳定性。然而，当需要更大的控制算法工具箱来提高系统吞吐量时，可能会出现这种情况。伺服控制的改进显著地有助于抑制对系统的干扰。
我们将讨论的第一个工具是陷波滤波器。陷波滤波器通过衰减特定频带来工作。所有电机负载系统的谐振频率都位于特定的频段。这些共振限制了系统的增益，因为它们将放大任何频率成分位于谐振带内的输入信号。陷波滤波器可用于衰减共振，并允许更大的系统增益，这将增加系统的带宽，这反过来导致更短的稳定时间。然而，相位滞后将被诱导在缺口频率之前，它将被一个相位领先。在选择缺口频率、宽度和衰减时需要谨慎，因为其他频率位置可能会产生负面影响。
其他特定的滤波器类型，如超前和滞后滤波器，可用于修改控制器的频率响应，以产生更大的系统增益。然而，最有用的工具是Bi-Quad过滤器。双四分量滤波器是二阶滤波器的最一般形式。它有两个极点和两个零，这给了它4个自由度来形成控制器的频率响应。通过实践，可以很容易地对双四分量滤波器进行改造，提高相位裕度、增益裕度，最重要的是提高系统的带宽。
所讨论的六种方法是提高机器吞吐量的一些最常见的方法，但也存在许多其他独特的方法。所讨论的每一种方法都可以成功地使用，但是仍然无法达到预期的吞吐量。在这种情况下，可以混合使用多种方法来优化机器吞吐量。然而，机器产量的绝对极限总是受到机器力学的限制。这些方法只能使您更接近机械吞吐量限制，但如果所需的吞吐量超出了机器的能力，则必须使用不同的机械系统。
Cameron Sheikholeslami是一名控制和应用工程师ACS运动控制。ACS运动控制的SPiiPlus系列产品包括一个运动控制模拟器，集成在SPiiPlus软件环境中。该模拟器通过模拟具有零位置(跟随)误差和I/O逻辑的理论运动，使在纯软件PC环境中开发多轴控制器程序成为可能。它支持ACSPL+中的独立应用程序编程，或使用c++、Visual Basic和LabView进行依赖于主机的应用程序编程。免费下载版本6.50。

-由高级编辑Renee Robbins编辑
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