多轴运动控制同步不确定性及应用影响

同步不确定性及应用影响：在面向机器人和机床等应用的高性能多轴伺服系统中，可以清楚地看到时间不确定性的影响。在I/O级的电机控制轴之间的时间偏移量变化会对机器人或机床的最终三维定位精度产生直接且显著的影响。

考虑一个简单的运动曲线，如图3所示。在此示例中，电机速度指令值（蓝色曲线）上升后再下降。如果斜坡速率在机电系统的能力范围内，则实际速度预期值将遵循指令值。但是，如果在系统中任何位置存在延迟，则实际速度（红色曲线）将滞后于指令值，从而导致位置误差Δθ。

时序延迟对位置精度的影响

在多轴机器中，根据机器的机械结构将目标位置(x, y, z)转换为角度轴向描述θ1, ..., θn)。角度轴向描述为每个轴定义了一系列相等时间间隔的位置/速度命令。轴之间的任何时序差异都会导致机器的精度降低。考虑图4所示的两轴示例。机器的目标路径以一组(x, y)坐标来描述。延迟使y轴命令产生时序误差，最终导致不规则的实际路径。

某些情况下，通过适当的补偿可以最大程度地降低固定延迟的影响。然而，更关键的是无法对可变且未知的延迟进行补偿。此外，可变延迟会导致控制环路增益发生改变，从而使调整环路以获得最佳性能变得很困难。

应该注意的是，系统中任何地方的延迟都会导致机器精度不准确。因此，尽可能减小或消除延迟才能提高生产率和最终产品质量。

序延迟对位置精度的影响

同步和新型控制拓扑

传统的运动控制方法如图中的上半部分所示。运动控制器（通常为PLC）通过实时网络将位置指令(θ*)发送到电机控制器。电机控制器由三个级联的反馈环路组成，包括控制转矩/电流(T/i)的内部环路、控制速度(ω)的中间环路和另一个控制位置(θ)的环路。转矩环路的带宽最高，位置环路的带宽最低。来自工厂的反馈保持在电机控制器本地，并与控制算法和脉宽调制器紧密同步。

采用这种系统拓扑，运动控制器和电机控制器之间通过位置指令值来实现轴的同步，但是在CNC加工等极高精度应用中，与电机控制器的I/O（反馈和PWM）同步的相关性只会使之成为问题。位置环路通常具有相当低的带宽，因此对I/O同步较为不敏感。这意味着即使网络与I/O位于不同的同步域中，指令级的节点同步性能通常也能接受。

虽然图中上半部分所示的控制拓扑很常见，但也可以使用其他的控制分区方法，例如在运动控制器侧实现位置和/或速度环路，并通过网络传送速度/转矩指令值。工业领域近期趋于转向一种新的分区方法，即所有的控制环路都由电机控制器转移至网络主机侧功能强大的运动控制器（见图中的下半部分所示）。在实时网络上交换的数据是电机控制器的电压指令(v*)和运动控制器的工厂反馈(i, ω, θ)。这种控制拓扑由功能强大的多核PLC和实时网络实现，具有诸多优势。首先，该架构具有很高的可扩展性。还可以轻松地添加/移除轴，无需担心电机控制器的处理能力。其次，由于轨迹规划和运动控制都在同一个中心位置完成，因此可以提高精度。

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