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如何在工业控制器中获得精确的运动控制？

2023-06-07 23:20:00

这些AD876JR编码器通常根据正交编号脉冲（QEP）连接到微处理器（MCU），因此需要QEP接口功能。由于T-Format和BiSSC协议通常与大多数MCU上常见的串行外设接口（SPI）、通用异步接收器发送器（UART）或者局域网控制器（CAN）不同的协议适用于流行的通信端口或接口，因此它们通常需要定制逻辑块或独特的控制部件。

当你乘坐电梯时，你一定希望从一楼稳定安全地到达另一楼。在电梯驱动中，精确的运动控制使电梯能够停在指定的位置，并且能够平稳地减速，直到完全停止。缺乏精确的运动控制可能会导致电梯误停在双层之间，这会让乘坐电梯的人感到头晕或不安全。

在很多情况下，机器人、计算机数控设备和工厂自动化设备都需要通过伺服控制器进行精确的位置控制，另外，在很多情况下，还需要进行精确的速度控制，以便于产品的精确制造和维护。

工业控制器的许多方面对于完成精确的运动控制非常重要。精确的运动控制涉及到实时控制设计中的三个基本分系统，即感应和处理驱动。本文将阐述每个分系统的支持技术实例。

感应

由于缺乏精确的位置和速度感应，很难实现精确的运动控制。传感器可以包括电机的轴角位置和速度传感器，或者输送带的线形位置和速度传感器。设计师经常使用增量光学编码器，每转几百到一千个槽来传感位置和速度。这些编码器通常根据正交编号脉冲（QEP）连接到微处理器（MCU），因此需要QEP接口功能。

相比之下，确认编码器的精度明显更高，通常每次转动都有更多的槽，并且通过精确的安装提供了确定的角度位置。感应位置转换为数字显示模式，并根据标准协议进行编号。这类协议的例子包括Tamagawa 的 T-Format 和 iC-Haus GmbH 的双向串行同步（BiSS） C。在此之前，你还必须现场编程门阵列（FPGA）来连接这种类型的编码器，但是现在越来越多的MCU也有这个功能(如下图1所示)。由于T-Format和BiSSC协议通常与大多数MCU上常见的串行外设接口（SPI）、通用异步接收器发送器（UART）或者局域网控制器（CAN）不同的协议适用于流行的通信端口或接口，因此它们通常需要定制逻辑块或独特的控制部件。

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图1：连接到德州仪器控制 MCU 的绝对编码器

可以肯定的是，编码器也可以基于电磁或类旋转变压器电路，这需要精确测量正弦电信号。因此，精确操作放大器和电压标准也非常重要。电机和运动控制必须经过精确的电机电流和电压检查，尤其是在使用无传感器操作时。常见的解决方案是内联和逆变器桥臂低侧检查，采用防护/非隔离放大器和集成低侧电流检测的驱动器。

解决

在精密运动控制系统中，运动控制环境变量和算法必须具有高计算水平的MCU。为了提供必要的精度和精度，这类MCU的字长一般为32位，适用于原生的64位浮点。许多MCU都有硬件加速器，因为算法严重依赖三角函数、大多数和指数数学。

设计者经常使用多微处理器，考虑到可控运动轴的总数或控制环路的总数。（CPU）或者类似CPU的并行加速器。如果有额外的监管和通信任务，也可以考虑选择多个CPU。

整个信号链的总延迟(即从收集到电流、电压、位置和速度测量结果到升级操作输出时间)作为实时控制应用，会直接影响控制性能，从而影响精度。有些MCU有电影上的模拟比较器，可以直接生成操作动作，明显减少延迟和CPU负载。快速中断响应和现场存储和恢复也很重要。

仅仅拥有高处理量是不够的。运动控制MCU还必须有一般的操作外设，如12位和16位模数转换器、QEP接口、高分辨率边缘和脉冲捕捉及其脉宽调制（PWM）导出。另外，还规定了完成自定义逻辑和时序的能力。

MCU和电机驱动器供应商提供电机和运动控制算法，包括无感应器观测器和软件库等核心算法，以及具有GUI可配置性的完整控制代码，以使设计者更快地使用和调整设计。

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图2：工业驱动器控制 MCU 的概念图

驱动

提供预期的操作必须是功率器件和控制器，一般采用PWM方式，占空比代表动作。准确控制PWM脉冲非常重要，这意味着控制器必须提供必要的驱动强度，以尽可能小的时间误差；功率器件必须在准确的预定时间内打开和关闭。如今，这种控制器随处可见，并具有过流和过热保护等附加功能。新型宽带间隙功率器件可以保证快速准确地打开和关闭。宽带间隙器件的快速开关速度和低开关损耗也可以实现快速操作环路，从而提高可靠性和特性。

除精确度外，许多应用还规定电机控制设计充分紧凑，因此需要使用具有集成电流检测和电源芯片的控制器。

结语

精确的运动控制对于工业控制器尤为重要。技术解决方案涉及三个基本的分系统，即感应和处理驱动，旨在完成精确的运动控制。

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