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随着工业过程的快速发展，对于更灵活的自动化系统的需求也在上升。为了满足这些要求，越来越多的传统的解决方案开始被基于智能设备和现场总线的分布式运动控制体系取代。在本文中，我们就讨论了这种分布式运动控制体系的好处。适合分布式运动控制体系的智能伺服驱动器必须提供总线通信装置，并能执行高水平的轴控制任务。总线装置的设计和运动控制任务的分配是搭建一个高性能运动控制系统的关键点。插补运动控制程序是通过主机运动控制其计算多轴轨道，然后再通过现场总线把轴位置设定点发送到每个伺服驱动器中。而独立的轴应用程序是在伺服驱动器器中计算轴运动轨迹，主机PLC提供的只是运动序列。其总线通信是基于CANopen协议的。所以，本文只是讨论了在CD1k伺服驱动器范围中完整运动控制系统的设计。
1)介绍
随着数字信号处理(DSP)技术的发展，很多复杂的控制任务在伺服驱动器器内就能处理了，伺服驱动器器也越来越智能化（1）。同时，工控领域越来越成熟的现场总线通信技术也为基于分布式控制体系的灵活模块化的控制设计的实行提供了可能性。图1便是一个分布式控制体系的结构简图。
主机控制器（PLC或运动控制器）和伺服驱动器之间的通信是基于CANopen标准的。这个解决方案可以用高性能模块化的方式，方便的建立复杂的多轴控制应用程序。总线通信设备使我们不需要编辑硬件，只要对已存在的控制系统的简单参数，重新设定就可以应用于新产品中（2）。可以通过增加或者删除控制元件（伺服驱动器，I/O模块……）来编辑进程，而不需要对控制系统做大的编辑和改动。这种解决方案的灵活性是在工业生产自动化过程中长期保持竞争性位置的最大优势：在缩减产品和技术生命周期的反馈中，能方便的对设备进行编辑和升级。由于数字电流，速度和位置伺服环都整合在了伺服驱动器中，也大大改进了伺服性能。无论是插补轴轨迹还是独立轴轨迹，都必须能通过最终运动控制应用程序知道总线通信参数和控制任务的分配。在本文的第一部分我们将详细讨论这个问题。第二部分，主要针对插值法的轴在维护轴间配合时常需要执行的强制同步命令。本文的最后一部分，针对伺服驱动器设计讲述如何能够得到最好的精度和动态性能。
2）运动控制体系
在分布式控制体系中，应用程序和控制进程仍然是在主机PLC或运动控制器中设定的。但是，伺服驱动器为运动控制承担了更多的责任，比如软件和硬件的限位监管，电机制动模式控制和机器调试时低速运行的安全性。轨迹发生器也能够通过最终应用程序被整合到伺服驱动器中。这样就使得插值法轴应用程序和独立应用程序的差别更大。
很多机器人和机器工具要求插值运动控制（必须要能连续调整一部分轴）。在这个方案中，轴轨迹必须通过相同高频率的处理器的计算以便维护轴间协调。
如图2所示，适合多轴插值的分布式运动控制体系是基于伺服驱动器的智能化，能够执行包括位置速度和带电力转换的电流环的完整伺服控制任务。主机运动控制器进行多轴轨道计算并通过一系列总线通信将位置设置点的数字信号发送到每个伺服驱动器中。三次插值是为了在伺服环取样期内生成轮廓线，由在伺服驱动器中两个相邻的设定点中得到。当维护一个平滑运动控制时，这种技术能大量减少占用的主控制器的资源（设置点生成频率）。这样在给定的总线性能中，我们就能控制大量的轴了。图３表示了三次插值的影响。在这个应用程序中，设定点生成频率为100Hz，伺服环取样期为0.5ms。
在自动化领域的大多数运动控制中，不允许轴（轴轨迹独立）间插值。这个方法不再需要集中的轨道计算，这就使得轨道计算可以分配到每个伺服驱动器中去。图４就是相应的控制体系。
主机ＰＬＣ控制器很适合提供应用序列控制。这个解决方案基于能提供高性能运动控制并完全整合到ＰＬＣ环境中的智能伺服驱动器。所以，能在IEC 1131-3标准程序语言中得到高水平的运动控制参数。
３）CANopen通信
现场总线是重要的组成部分和主要特点，类似同步，更新率或通信参数测定整个系统的性能。选择CAN是因为它的高速，稳定和低成本[3][4]。传输速率在40米以内能达到1M/s随着距离的拉长会有所降低。CAN系列总线广泛的应用在自动化和自动化工业中，降低了硬件安装的成本。CAN是基于公共总线上经过信息优先级选择的信息广播。同步和异步转换模型在CAN中是区分开的，异步信息重点是伺服驱动器参数设置，而同步信息重点是运动控制和轴轨道调整。
专注于伺服驱动器应用CANopen DS40已经落实。‘概览位置’模型很适合独立的轴轨道应用程序。在这个方案中，目标位置通过总线由主机PLC控制器发送给伺服驱动器，然后由伺服驱动器进行轨道调整计算并完成置位。
‘插值位置’模型是用于插值式轴应用程序的。这个方案中，为了维护轴间配合，多轴轨道发生器计算得到的位置设定点，必须在运动控制器和伺服驱动器中高频率转换。所以，占用的总线资源比之前的应用程序更多。同时，任何同步的错位都会显著降低控制通路的精确性。同步错位是在主运动控制器和伺服驱动器之间取样时间的不同产生的。总线传输延迟导致的振动也会产生同步错位。如果一个位置设定点在伺服驱动器中能取出两次，尤其要求高动态性能的时候，就会使零速参考信号超过一个取样期，还会强烈刺激到伺服电机［５］。在定速运转下总线振动对伺服电机的影响见图５ａ。为了解决这个问题，伺服驱动器中必须要执行强制同步命令。为了得到伺服环误差的正确计算，必须特别注意电机位置和速度测量。图５ｂ是在伺服驱动器内部执行强制伺服的改进。
４）伺服驱动器设计
伺服驱动器控制部分是一个单独芯片的电机处理器（ＡＤＭＣ４０１），包括电机电流传感，电机位置采集和适合功率级的ＰＷＭ脉冲发生器。这个设计是在一个只有很少元件的一体化伺服驱动器中性能最优的选择结果。
串级控制体系是最适合高性能伺服驱动器的。内部的电流控制环控制电机力矩。外部的速度和位置控制环的动态性能直接取决于内部电流环的表现。为了达到尽可能短的电机电流响应时间，并满足伺服电机的最高速度范围，外部电力转换器的电压范围必须最大。电流控制器是基于在转子参考坐标系空间向量建模（SVM）技术。SVM类函数中附加了第三方调制解频器，这使得SVM类函数相比于传统的对称三角模型给了伺服电机更高的速度范围（超过15%）见图6[6]。
必须通过机械负载参数优化速度和位置伺服环调整，才能达到稳定和快速响应的状态。位置伺服控制器设计是基于多项式控制体系和极点定位跟踪方法的。多项式控制体系是最主要的控制器体系，并且非常适合参数整定。它假定驱动能通过图7a中Hmc和Hmd的传递函数方程来表述。伺服控制器包括两个传递方程Hfb和Hfw，主要作用于伺服环错误信号和伺服环参考信号。图7b中的Hsr和Hsd分别是闭环输出/参考和输出/干扰的传递函数。控制器整定进程包括为了让位置伺服环设定输出/参考值和输出/干扰，Hsr和Hsd传递函数中极点和零点的位置的设置。所以能把伺服环调整和跟踪行为完全分离开。Hmc和Hmd传递函数从由机械设备本身设定的。设备传递函数机械在额定负载下执行鉴定程序得到的。执行器只选择需要的带宽，除了要求精密技术，自整定程序不要求任何特殊的伺服系统知识。
在多项式控制体系也可以通过伺服驱动器应用程序简单的编辑伺服环反馈。在图8a中，伺服环响应为轴位置应用程序优化了。这个方案，要求能迅速准确到达目标位置。在图8b中，伺服环响应为了包络线应用程序优化了，在轴位移时位置误差必须靠近零点。相比于以前的调整工作，现在只修改控制器Hfw传递函数就可以满足新的需求了。
电机位置测量值是从旋变器反馈感应通过软件旋变到数字转换（RDC）的技术得到的。旋变的正弦和余弦反馈信号进入到ADMC401 12bit 数模转换器（ADC）频道，然后通过二阶跟踪滤波器计算得到电机速度和位置值。当要求电机运动很平滑时，可以在外部加一个16位的ADC，加强位置解决方案。如图9，可选的16位ADC能大量降低速度波动和由于位置定量错误导致的电机噪声。
结论
基于CANopen总线通信的运动控制和智能伺服驱动器是一个高效灵活的解决方案。本文所提到的智能伺服驱动器中的CD1k能执行高水平的多轴控制任务，为各种各样的应用程序提供高性能运动控制解决方案。‘剖面位置’模式是最适合PLC环境中的独立轴应用程序。在这个方案中，轴轨迹是在伺服驱动器内部计算的。‘插值位置’模式用于轴轨道必须连续协调的应用程序。在这个方案中，因为在伺服驱动器内部提供的三次插值，主机运动控制器的占用资源被大量减少。通过机器中目标应用程序自整定程式在线运行就能调整优化速度和位置伺服环。
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