摘要：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)非常注重應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)直接的原因是應(yīng)用場(chǎng)景與設(shè)備及工藝密切相關(guān)，通過應(yīng)用場(chǎng)景及一些KPI 指標(biāo)，能夠判斷其控制的復(fù)雜性。在各種運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用場(chǎng)景中，如果說定位功能在應(yīng)用量上是排在第一位的 話，那么，電子凸輪和張力控制就應(yīng)該算是排在第二位和第三位的應(yīng)用場(chǎng)景了。在我的腦海里，這三大應(yīng)用幾 乎占到了常規(guī)應(yīng)用量的70%以上（原文摘自微信公眾號(hào)：老顧說運(yùn)控）。

1 定位控制
定位控制的應(yīng)用非常廣泛。運(yùn)動(dòng)控制工程師，尤其是從事3C電子制造行業(yè)的工程師，幾乎每天都在使用定位功能。但我驚人地發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工程師，其實(shí)對(duì)定位控制的原理或過程并十分不了解，而由于很多系統(tǒng)廠家已經(jīng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的定位功能塊，比如西門子Epos的FB284、 FB38051等等，并且有很多默認(rèn)參數(shù)就可以直接用，所以，這并不妨礙他們的常規(guī)調(diào)試。但是對(duì)于一些特別“要?jiǎng)拧钡恼{(diào)試，比如：對(duì)于生產(chǎn)節(jié)拍有嚴(yán)格的要求，用OEM廠商的話來說就是“越快越好”、或者甚至對(duì)于5ms、10ms都特別計(jì)較時(shí)，那就會(huì)面臨很大的挑戰(zhàn)。
每個(gè)人對(duì)定位控制可能有不同的理解，我總是愿意把定位控制的全過程分解為三部分（圖1）：
①定位需求的發(fā)起——下達(dá)定位任務(wù)；
②定位需求的解析——對(duì)定位任務(wù)進(jìn)行解析；
③定位實(shí)現(xiàn)。
這三部分對(duì)于定位控制的理解至關(guān)重要，它們之間密切配合，是一種遞進(jìn)的關(guān)系，在此，和大家探討一下各部分的功能及關(guān)鍵點(diǎn)。
為了便于理解定位控制，可以假設(shè)一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，例如：從A到B實(shí)現(xiàn)定位控制。
條件為：AB間的距離為4m，A、B點(diǎn)都是靜止，即速度為0m/s；要求為：以2m/s的速度從A定位到B，此處速度為勻速段速度，如圖2所示。
以圖2所示的案例應(yīng)用為例，將整個(gè)定位控制過程分解為以下三部分：

①定位需求的發(fā)起：這是指做什么樣的定位控制，通常是根據(jù)設(shè)備的工藝需求，由上位控制系統(tǒng)給出的，比如： PLC、工控機(jī)等。通常情況下是已知定位的速度和距離，例如此處速度為2m/s，距離為4m；有時(shí)也可以是已知距離和時(shí)間。
②定位需求的解析：指通過規(guī)劃速度輪廓曲線來分解運(yùn)動(dòng)，即根據(jù)具體工藝要求，設(shè)置合理的加速度、加加速度、減速度， 目的是將定位的需求能夠合理、圓滿地“傳遞”至定位實(shí)現(xiàn)部分。
在這一部分，對(duì)于西門子控制系統(tǒng)來說，如果是TO，

則在PLC里實(shí)現(xiàn)；如果是Epos，則在驅(qū)動(dòng)器（S200/V90/ G120/S120）里實(shí)現(xiàn)。
這些參數(shù)的設(shè)置對(duì)于定位控制是非常關(guān)鍵的，必須充分考慮具體的設(shè)備工藝，絕不能“拍腦袋”來做。比如：為了防止加減速過程的過沖，則需要設(shè)置較小的加/減速度值；為了避免加/減速度突變，則需要激活加加速度，并設(shè)置合理的值等。
在運(yùn)動(dòng)控制中，可以把加速度看成為力；加加速度看成是力增加/減速的梯度；如果加速度和加加速度隨意設(shè)定，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)n多個(gè)問題，所以設(shè)置一定要慎重。
③定位實(shí)現(xiàn)：這是指位置閉環(huán)控制部分。通常要合理設(shè)置位置環(huán)的比例增益Kp、速度前饋、位置設(shè)定值濾波等，目的是將來自定位解析部分的位置設(shè)定值與實(shí)際值進(jìn)行實(shí)時(shí)的比較，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位功能。
對(duì)于西門子控制系統(tǒng)來說，如果是3號(hào)及102報(bào)文，則是在PLC里實(shí)現(xiàn)；如果是105報(bào)文，除設(shè)定值濾波外，其它部分都在驅(qū)動(dòng)器里實(shí)現(xiàn)；如果是Epos，則全部在驅(qū)動(dòng)器里實(shí)現(xiàn)。
這一部分，還可以再細(xì)分為三小部分：
· 細(xì)分部分（也稱插補(bǔ)）：首先要根據(jù)速度及位置環(huán)的掃描周期，對(duì)位置設(shè)定值進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分（或稱插補(bǔ)），然后送給位置環(huán)，此處的位置環(huán)掃描周期也很重要；
· 速度前饋部分：將速度值乘以前饋系數(shù)直接傳遞給后面的速度環(huán)，通常設(shè)為100%，但是要根據(jù)工藝來設(shè)，尤其是慣量比較大的時(shí)候，或外接編碼器作為位置反饋、但又有“打滑”的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，設(shè)置就要格外小心了；
· 偏差控制部分：將位置的設(shè)定值與實(shí)際值的差與比例增益相乘（位置環(huán)常用比例調(diào)節(jié)器），再與速度前饋疊加在一起，作為速度環(huán)的速度給定值。
對(duì)于定位控制，這三部分非常重要，作為一名運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用工程師需要把這三部分理解透徹，并能夠結(jié)合實(shí)際去驗(yàn)證，就證明你已經(jīng)“上路”了。如果還能夠進(jìn)一步掌握速度前饋、位置環(huán)Kp、位置設(shè)定值濾波、位置跟蹤誤差等，并可以針對(duì)不同的工藝要求去熟練、合理的運(yùn)用，就已經(jīng)算是定位控制應(yīng)用的“高手”了。
2 張力控制
張力控制，通?？煞譃椋洪_環(huán)和閉環(huán)張力控制兩種。
開環(huán)張力控制：是指沒有實(shí)際張力檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)，這種狀態(tài)相對(duì)較容易控制，比如：收放卷應(yīng)用中的間接張力控制等。開環(huán)張力看似比較穩(wěn)，但實(shí)際張力大小不一定能滿足需要，這只能通過加工出來的實(shí)際產(chǎn)品的效果來衡量。所以，對(duì)于開環(huán)控制來說，張力設(shè)定值的計(jì)算非常重要，而這些數(shù)值來自哪里？與哪些因素有關(guān)？有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)且對(duì)設(shè)備工藝比較熟悉的工程師，通常會(huì)用一些補(bǔ)償?shù)氖侄蝸硖岣邚埩刂频木?，比如：摩擦補(bǔ)償、加減速時(shí)的力矩補(bǔ)償、甚至高低速時(shí)的力矩補(bǔ)償?shù)鹊取?br>閉環(huán)張力控制：指有實(shí)際張力檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)，并參與系統(tǒng)的閉環(huán)控制，比如：運(yùn)用張力傳感器檢測(cè)實(shí)際張力、浮動(dòng)輥檢測(cè)其位置反饋實(shí)際張力等，這些實(shí)際值將參與PID閉環(huán)控制。它是一種全閉環(huán)控制的形式，影響的因素比較多，相對(duì)比較復(fù)雜。
其實(shí)，全閉環(huán)控制是一支“雙刃劍”，它能夠反映實(shí)際值，控制精度比較高，但也較難控制。如果控制不好，很可能精度還不如開環(huán)控制。全閉環(huán)控制不僅需要大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且專業(yè)理論知識(shí)也是必不可少的。

3 電子凸輪
電子凸輪是從機(jī)械凸輪衍生出來，它表示的是從軸與主軸的位置關(guān)系，常用多段曲線來描述，其實(shí)可以表示為任意位置關(guān)系。相對(duì)于機(jī)械凸輪，電子凸輪有非常大的靈活性。
在實(shí)際應(yīng)用中，這種曲線關(guān)系，常為3次、5次、7次或正弦等關(guān)系，更像是數(shù)學(xué)方程式中X與Y的關(guān)系式。所以，有很多工程師對(duì)伺服應(yīng)用及運(yùn)動(dòng)控制的原理并不了解，但這不影響他調(diào)試一些電子凸輪的應(yīng)用,這是因?yàn)橥馆啈?yīng)用不是全閉環(huán)控制，而且各廠家都提供了標(biāo)準(zhǔn)功能塊。
很多應(yīng)用場(chǎng)景，只要曲線設(shè)置沒有大的問題，基本能夠?qū)崿F(xiàn)工藝要求。但這樣也會(huì)帶來一些問題，如果沒有經(jīng)驗(yàn)去設(shè)置凸輪曲線，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)伺服報(bào)警，甚至很頻繁，同時(shí)生產(chǎn)節(jié)拍也上不去。有經(jīng)驗(yàn)的工程師在設(shè)置曲線時(shí)，會(huì)注意加速度數(shù)值及曲線的平滑性，以及是否有“跳變”，同時(shí)會(huì)根據(jù)負(fù)載情況及運(yùn)動(dòng)軌跡來分段和選擇曲線的類型（圖3）。
在我的認(rèn)知里，電子凸輪像“理”科，而張力控制則更像“工”科。相比較全閉環(huán)控制來說， 電子凸輪則是一種半閉環(huán)控制，其中的關(guān)系可以理解為：
對(duì)于較為復(fù)雜的應(yīng)用，電子凸輪和張力控制一樣，都需要有大量的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的理論功底：一個(gè)需要研究設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性及各種曲線的平滑性；另一個(gè)則要研究全閉環(huán)控制在加速、勻速、減速過程中的穩(wěn)定性。

對(duì)于一些常規(guī)的應(yīng)用，即使你對(duì)機(jī)械負(fù)載運(yùn)動(dòng)特性不太熟悉，照樣可以完成凸輪的調(diào)試，但是你很難完成張力控制的調(diào)試！很大程度上，這是因?yàn)閺埩刂聘鷻C(jī)械負(fù)載、加工材料特性、速度高低、加速度大小、電氣系統(tǒng)有密切的關(guān)系，所以，從這個(gè)意義來說，張力控制需要的知識(shí)面要更廣一些，更具有實(shí)戰(zhàn)性。
如果你是一名優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)控制工程師，除了能夠調(diào)試各類的凸輪應(yīng)用外，也需要挑戰(zhàn)一下各類的張力控制，從中一定能夠體會(huì)到與眾不同之處，也能體會(huì)
到運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜性所在！