大速比传动机构的高精度定位控制方法探讨

徐炳

【摘 要】对于大减速比的传动控制系统，终端测量系统轻微扰动就会引起驱动端的剧烈响应，如何既能保证驱动系统的平稳，又能保证终端的定位精度，是此类控制系统设计的难点，本文结合项目，介绍了控制平台的选型搭建以及的几种定位控制算法的比较。

【关键字】减速比;调速范围; EtherCAT;动态补偿

中图分类号： TG333.24 文献标识码： A文章编号： 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

为满足某所的载荷试验要求，需要设计一套可以在真空冷黑环境下运行的运动模拟器，用于承载光学载荷并完成二维运动，其中两轴的传动设计与定位控制是本项目的难点，本文结合项目，对控制系统设计，如何提高定位精度以及系统稳定性，是本文研究的重点，这直接关系到后期载荷测试过程的安全、准确。

1 机械结构简介

运动模拟器有方位机构、仰俯机构机平台小车三部分组成，其中方位和仰俯两轴机构的结构原理类似，本文以方位機构为例进行探讨。方位轴研制指标要求：

角位移测量精度：≤±1″

定位精度：±0.5′

最高转速（Zmax）：2.5转/小时

最低转速（Zmin）：1转/30天

如图1所示，方位机构由台体框架（筒体）、回转轴承、工作平台、圆光栅、转轴、动力系统等组成，其中试件被固定于方位机构的工作平台上。其动力传递路径为：低温真空伺服电机——大传动比多级齿轮减速器——自制一级齿轮减速——圆盘轴承——负载，以自身纵向中心轴为轴心作圆周360°运动，一级减速比（i1）为10800，二级减速（i2）比为168/29，电机额定转速（ne）2800rpm。其中伺服电机本体带有旋转变压器作为第一反馈，另外终端转轴轴端安装有分辨率为26位的绝对值圆光栅编码器作为第二反馈。

2 控制系统设计

传动轴的控制系统一般由控制器、伺服驱动器、编码器等组成，控制选型必须针对轴动作的机械特性，运动模拟器是一种低速重载传动系，电机的调速范围要求特别广，针对方位轴，轴最高转速时，对应的电机转速为：

而常规的传动系统，调速范围一般不超过100，显然传统的基于模拟量（±10V）的，精度约为10位的控制系统已经不能满足本系统的要求，否则轴的转动速度控制将无法保证，基于此，必须选择一种基于数字总线控制的高精度控制系统，调研发现Beckhoff的基于EtherCAT总线的控制系统满足需求。

控制器选用Beckhoff的CX5020的嵌入式控制器，该控制器选用inter Atom Z530处理器，可以实现微秒级的扫描速度，并且内置有EtherCAT宗信接口。驱动器选用Beckhoff的AX5206双轴驱动器，并加装了AX5722-0000编码器卡，用于接BISS-C接口的绝对值光栅。软件采用TwinCAT NC PTP 编程软件，该软件是基于PC的纯软件的运动控制，它的功能与传统的运动控制模块、运动控 制卡类似。由于TwinCAT NC与PLC运行在同一个CPU上，运动控制和逻辑控制之间的数据 交换更直接、快速[1]，因此TwinCAT NC比传统的运动控制器更加灵活和强大。

3 控制算法比较

伺服电机的控制一般分为电流环、速度环，位置环，为提高电机的相应速度，电流环也即扭矩控制，由电机轴端编码器闭环控制，而对于速度环和位置环控制则有几种方式，典型的控制逻辑如图3所示。

方法一、由电机编码器直接控制速度环和位置。优点是，系统相应快，但是对于本系统，由于减速比大，多级减速器中齿侧间隙的累计叠加以及加工精度等影响[2]，测试后，控制精度很差，无法到达指标要求。

方法二、由电机编码器控制速度环，由终端的绝对值光栅编码器作为位置环的反馈作闭环控制。优点是控制精度相对较好，但是同样由于齿侧间隙的缘故，在停车后由于长传动积累的应力慢慢释放[2]，试车时发现停车后终端轴还会缓慢蠕动，此时位置环会反向作用驱动电机，由此造成系统的震荡，对传动系统齿轮的寿命影响很大。

方法三、开环动态补偿法，同方法一类似，也是通过电机轴端的编码器来控制速度环和位置环，但不一样的是，停车前NC系统半闭环地利用终端光栅编码器的读数对当前电机轴端旋转变压器计算得的当前位置进行修正补偿，另外的还延长了停车时的减速时间，在停车过程中能较好的释放系统的应力。经过测试，系统不仅有很好的系统响应速度，而且停车精度高，满足研制指标要求。

4 结论

对于大减速比的传动系统，对于过程动态精度要求不高，而对最终停车精度要求比较高的场合，利用第二反馈进行环外动态补偿修正的方式，系统能够达到较好的系统响应速度和精度，而且还能避免控制系统发生震荡的可能性。

【参考文献】

[1]牛宝良，董亨.基于TwinCAT的数字伺服控制系统设计[J].太赫兹科学与电子信息学报，2016.14（2）.

[2]张慧博，等.考虑多间隙耦合关系的齿轮系统非线性动力学分析[J].振动与冲击，2015（08）.