BLDC 循序渐进:多轴速度和位置控制

我们讨论了实现快速准确位置控制的难点。在这篇博客中,我们将逐步向您展示如何在台式路由器上实现最佳的双轴速度和位置控制(图1)。


图1. 15“x15”台式路由器

在不到20个小时的时间里,路由器正在绘制正方形,三角形和圆形。  


图2.台式路由器创建运动配置文件的时间表

观看已完成项目的视频。

步骤1 - 将伺服电机连接到X和Y平台
如果您正在进行多轴应用,则需要设计自己的电路板。我们使用两个德州仪器(TI)评估套件进行了初步步骤。  

材料清单:
  • 2个三相BLDC和PMSM电机套件(DRV8301-69M-KIT)60V,60A)
  • 2带编码器的低压伺服电机(LVSERVOMTR)

我们使用InstaSPIN-MOTION位置计划组件来创建和执行X轴和Y轴的状态转换。使用两个评估套件时,位置计划通过GPIO进行通信,这会引入少量延迟。当您设计自己的电路板时,您仍将运行两个计划组件,但它们将通过变量而不是GPIO进行通信,这将产生更精确的启动。此外,您还可以通过单个TI C2000™Piccolo™TMS320F28069M微控制器控制两个轴,这可以节省大量成本。

第2步 - 确定每个轴的系统惯量
惯性包括与电机轴刚性连接的任何东西。它包括直接与电机一起移动的任何东西。对于CNC路由器,X轴具有与Y轴不同且独立的惯性。  

我们使用InstaSPIN-MOTION™速度识别组件来识别惯性。我们设置每个阶段,使其具有整个正向运动范围,因为惯性识别总是使电机正向旋转。然后,我们使用了InstaSPIN-MOTION MotorWare ™Lab 12a软件(2014年6月发布),该软件确定了惯性和摩擦力。惯量值是InstaSPIN-MOTION位置控制器的输入,它使用它来提供适当的扭矩以使应用程序移动。

这是X轴惯性识别过程的快速视频。它移动得很快,所以要仔细观察!

第3步 - 调整控制器
使用称为带宽的单个增益同时调整速度和位置。每个轴都是独立调整的。调整过程简单直接。使用MotorWare Lab 13a软件,我们调整带宽,注入干扰并评估位置保持。重复该过程,直到轴在系统受到干扰时在0速下表现出良好的保持位置。我们将初始带宽设置为10 rad / s,然后手动注入干扰。手臂在此设置下轻松移动。随着我们增加带宽,移动轴变得更加困难。在40 rad / s时,路由器工作台的X轴确实保持了良好的位置。
 
这是一个调整过程的视频。

第4步 - 优化加速和加速度
然后我们开始优化加速度和加加速度(加加速度是加速度的变化率)。梯形曲线用于优化加速度,因为该曲线忽略了加速度。当加速度缓慢增加时,命令每个轴来回移动。最佳加速发生在电机未达到指令值之前。

一旦我们找到最佳加速度,我们就会使用具有连续加速度的st曲线优化加加速度。调整后果使路由器表现出平稳的启动和停止,具有非常高的可靠性。

第5步 - 创建方形运动轮廓
让路由器绘制正方形非常容易 - 一次只有一个轴移动。为每个轴创建了位置计划。在我们的配置中,X轴是主轴。X轴平面表示Y轴开始移动。Y轴计划在移动完成时发出信号。

  X轴位置计划:
  1. 信号GO到Y.
  2. 过渡国家
  3. 等待从Y完成
  4. 信号GO到Y.
  Y轴位置计划:
  1. 等待来自X的GO
  2. 过渡国家
  3. 信号DONE到X.
  4. 等待来自X的GO
图3.创建方形运动轮廓

第6步 - 创建三角形运动轮廓
绘制三角形更加困难。必须协调X和Y轴以绘制倾斜侧面。需要进行一些计算以生成每个轴的运动计划,使用以下等式:
Vel = d position_step / t 

Vel =速度
d =距离
t =时间
每个轴都需要同时完成移动,因此:
x = t y
行程距离(d position_step)是已知的。通过固定X轴的速度,这给了我们一个已知的时间(t x),从那里我们能够计算出Y轴的速度(Vel y)。


图4.创建三角形运动轮廓

步骤7 - 创建圆形运动轮廓
圆形运动轮廓是三种形状中最复杂的。我们在这个上作了一点欺骗。实际形状是32边多边形。它近似于一个圆,但计算量较小。我们使用Matlab计算X和Y轴位置。从那里,我们使用三角形运动轮廓中使用的相同程序来确保每个X和Y运动同时结束。


图5.创建圆形运动轮廓

我们用于执行此演示的代码可供您自行下载和播放。   在这里获取副本。我迫不及待想看看你可以用这个工具做出什么样的创作。

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