一、高精度定位技術發展現狀

? ? ? 在高精度定位平臺方面，國外出現了不同形式的精密定位平臺發展產品，而我國在精密定位平臺的研發方面尚處于落后趨勢，在高速高精密定位領域技術基礎薄弱，大部分高精密產品都依賴進口，而國外為了控制高新技術，限制向我國出口。為加快我國高精度產業及制造業的快速發展，對精密定位技術的研究已經迫在眉睫。

? ? ? 控制是影響定位平臺定位精度的重要因素之一，在運動控制系統領域，目前國外主要有PMAC、ACS、NEWPORT、AEROTECH等高端控制器，但是這些控制器比較封閉，有的甚至需要專門學習其對應的開發語言，如ACS的ACSPL+，這無疑增加了開發的難度。

? ???為追求更高的定位平臺精度，本應用選用了倍福的Twincat控制平臺，結合EtherCAT技術，研究分析如何利用運動控制技術和多種補償方式實現高精度定位的目的。

二、主要配置介紹

軟PLC系統

? ? ??軟PLC是運行在工業PC上的一個實時多任務控制內核，它既有所有硬PLC的性能、功能、可靠性、速度、糾錯等特性，又有它自己的特性，即開放結構系統。

軟PLC主要亮點

可運行在大多數計算機平臺上(386、486、奔騰)，獨立于硬件總線(如ISA、PCI、VME、PC104、STD)。 ?

支持I/O點多達8192點，包括數字、模擬和特殊I/O點，可選擇的I/O硬件商有Allen-Bradley、GE Fanuc、DeviceNet、Profibus、MTL8000等。 ?

超過1M的用戶邏輯/數據表容量。 ?

支持梯形邏輯、C/C++和Java編程。 ?

支持在線運行模式，可在線程序修改和I/O強制。

EtherCAT總線

? ? ? EtherCAT是迄今為止速度最快的工業以太網技術之一，同時它提供納秒級精度的同步。EtherCAT將I/O現場總線通訊、驅動通訊整合在同一個系統中。由于 EtherCAT可實現高同步精度以及小于1ms的周期時間，因此能夠確保大幅提升設備性能和效率。結合其他基于EtherCAT的高端驅動，為實現高精度的運控控制提供有力的支撐。

EtherCAT主要亮點

數據高速交互：1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間。與100個伺服軸的通訊只需100μs。

分布式時鐘（實時特性）：精確同步在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個伺服軸在執行同時聯動任務時。

熱連接：“熱連接”功能可以將網絡的各個部分連在一起或斷開，或“動態”進行重新組態，從而針對變化的組態提供靈活的響應能力。

開放性：EtherCAT是一個完全開放式協議，它已被認定為一個正式IEC規范（IEC/PAS62407）。

高精度運動控制系統核心

一網到底的總線結構

總線直達I/O，不再需要I/O內部總線到現場總線的接力；

DMA直接將總線傳上來的數據復制到內存，不再經過CPU；

單一系統即可涵蓋所有設備：輸入輸出、傳感器、執行器、驅動、顯示等；

無網關延遲。

集成在VS的開發環境

僅需采用一個軟件就可對項目進行配置、編程、調試和診斷；

可以提供C/C++、C#、VB.NET編程語言和至Matlab/Simulink的鏈接；

高級語言加持，功能非常強大，非常適合精益求精的開發。

高精度補償算法

三、測試數據分析

運動控制整體成果展示

間隙補償及效果展示

（1）功能實施：

（2）補償后的效果展示：

螺距補償及效果展示

（1）功能塊：

（2）補償后的效果展示：

齒槽補償及效果展示(針對有鐵芯直驅場景)

（1）齒槽效應=磁吸力引起的齒槽力(物理效應)?

不需要的和不均勻的吸引力

降低了精度和同步性

（2）基于機器學習的齒槽補償

數據采集：通過正反方向的尋參確定原始數據

模型訓練：用原始數據訓練網絡

結果：位置相關的電流值

應用：電流值轉化為速度控制器的參數

（3）補償后的效果展示：

NC軸多段位置補償及效果展示

（1）NC軸可以實現多段位置補償功能。如下圖所示，NC軸在0到1000的絕對位置段內每間隔100長度（也可不等長間隔）進行不同長度的補償。

NC軸多端位置補償功能需要通過PLC功能塊的方式實現，涉及到的功能塊和結構體有：

① MC_TableBasedPositionCompensation； ② ST_PositionCompensationTableElement； ③ ST_PositionCompensationTableParameter。

（2）在軸參數中開啟PositionCorrection功能。

（3）代碼展示：下圖是整個位置補償表的數據。 （ST_PositionCompensationTableElement部分）

（4）補償后的效果展示：

四、總結

? ? ??通過上述驗證分析，結果表明：該基于軟PLC的高精度運動控制系統使平臺的運動控制精度、定位精度得到了很大提升。本應用基于軟PLC另辟蹊徑，利用成熟的PC技術，加持高級語言的算法、友好的IDE及豐富的開發資源，為打造高精度的運動控制系統尋找到了有效的技術路線。

審核編輯：劉清