解析位置跟踪误差

2022-07-22
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摘要 在运动控制中,无论是做定位控制,还是做同步控制,都会非常关注位置跟踪误差。

  在运动控制中,无论是做定位控制,还是做同步控制,都会非常关注位置跟踪误差。通过位置跟踪误差能够很清楚地知道,实际位置的跟踪情况。如果跟踪误差控制得不好,做定位控制时(西门子驱动系统SINAMICS S120/G120/V90等)常常会出现系统报警,如F07450、F07451、F07052;做同步控制时,经常会出现同步轴之间的不同步,尤其在加减速过程。所以,对于一个完善的闭环运动控制系统来说,位置跟踪误差是一个非常重要的变量,有时甚至它能决定整个系统的性能。为了确保运动控制系统具备一定的动态性,和高精度,系统会实时监控位置跟踪误差值。

  在解析之前,首先我们需要了解什么是位置跟踪误差?而为了能够更好地理解位置跟踪误差,先要了解一下什么是跟踪误差?

  跟踪误差是指设定值与实际值之间的偏差,主要是衡量实际值的跟踪情况。或者说,是设定目标与实际完成情况之间的偏差;或理想与现实之间的差距等。下面通过一个生活中的例子,来分析一下跟踪误差。

  一位老师为他的学生制定了一个读书计划,包含下列三点:

  半年读完26本书

  把控进度,在半年到来时,刚好读完

  老师把半年计划细分到每周读一本书,并要求学生每周日下午向他汇报

  针对上面描述,如果用运动控制形式来表示老师的计划,可表示如下,其中,假设下列框图的执行周期为1周。

  


  由上图可知,按照这样的思路去执行半年读完26本书的计划,几乎所有人都会相信,这位学生在半年到来时应该能完成读书计划,而且进度把控得非常好。理由是:计划非常严密,每周把读书完成情况向老师汇报,老师会根据实际情况完善下一步的计划,老师的工作主要包含以下三个方面:

  发现完成得不好,则需要微调计划,让学生在接下来的一周多读一些

  发现正好完成,则保持原计划不变,下一周按原计划继续执行

  发现超额完成,则微调计划,让学生在接下来的一周少读一些

  解析上面的例子,可以看出“老师每周检查读书完成情况,并完善下一步计划”这一点非常重要,在运动控制里,我们称之为闭环控制,可以按照下列思路去理解:

  “读书完成情况”可以理解为“跟踪误差”

  “每周检查”看作成“执行周期”

  “完善下一步计划”看作成“调节器”

  可以进一步假设,如果将“每周检查”改为“每月检查”或“每两个月检查”,那么完成的情况,恐怕很难达到“每周检查”的效果。或者,每周检查后,而不去完善下一步计划,甚至于就没有检查,那么,很难想象学生能够按时完成半年正好读完26本的计划,除非学生有超高的自觉性。

  通过对上面的例子解析,我们很清楚地知道,在运动控制里,“跟踪误差”、“执行周期”、“调节器”这三个因素都非常重要。

  而对于位置环的跟踪误差,我们称之为“位置跟踪误差”,它是指在一定的时间周期里,位置设定值与实际值之间的差值。如下图所示:

  


  位置跟踪误差Xerror=Xset-Xact,在实际应用中,这个差值永远存在,为了能够实时监控运动控制系统的跟踪情况,通常有三个与跟踪误差监控相关的名称,分别是:静态误差监控、动态误差监控、位置到达监控,以SINAMICSS120/G120/V90做基本定位(EPOS)为例,说明它们的含义。

  静态误差监控:在定位过程中,设定位置值已为目标位置,此时,要求在一定时间内,实际位置必须到达一定的范围,也就是说,此时的Xerror必须小于某一个值,否则,会出现F07450报警。造成的原因很多,如:位置环Kp太小或速度前馈系数太小,跟踪太慢;或监控窗口设置太小等。

  动态误差监控:在定位过程中,为了确保系统有一定的跟踪能力,在运行过程中,实时监控设定位置与实际位置的差值必须在一定范围之内,也就是说,Xerror必须小于某一个值,否则,会出现F07452报警。造成的原因与上面类似,总体体现系统跟踪太慢,但在设置监控窗口时,需要充分考虑位置环的执行周期和速度前馈的设置情况等。

  位置到达监控:在定位过程中,设定位置值已为目标位置,而Xerror小于某一个值,此时,系统就认为已经到位,并输出位置到达信号,否则,经过一段时间,会出现F07451报警。有时还会发现电机已经到位,但并没有“位置到达信号”输出,那很可能是由于电机一直在回来摆动,大多数都是因为位置闭环系统没有调好等。

  位置跟踪误差是一个相对较为复杂的话题,在设置监控窗口时,除了考虑位置环增益、速度前馈、位置环的执行周期等,还要考虑负载的情况,以及编码器的安装位置等。尤其在多轴做同步应用时,位置跟踪误差一定要控制在一定的范围之内,否则,很可能会影响各轴之间的同步性。

  对于带位置控制的运动控制系统来说,位置跟踪误差永远存在,无论是用哪一家的产品做运动控制,都是这样,只不过处理的方法不同而已。




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