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运动控制中工业以太网绝对值多圈编码器的意义

2019年04月15日 15:00:03 来源:AQ编码 作者:@Q裘奋

上周末,澳门葡京平台赌场官网、中国运动控制产业联盟在广东顺德召开了一届运动控制界的“运动会”——2019智能制造&中国运动控制行业发展高峰论坛暨颁奖盛典,来自行业内的超过百家企业近五百人参加了大会。这次“运动会”开的很热闹、很成功,向主办方祝贺。

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编码器也是本次大会的热点之一,包括德国海德汉和长春禹衡也作为老“运动员”,都在大会上展示了自家的编码器。最近几年国内市场小型伺服电机发展迅猛,现有伺服电机市场更多的关注在体积小而薄,分辨率高而价格低的编码器上,对于“绝对值编码器”的理解,也是仅停留在能“停电记忆”的“绝对值”其中的一个功能上。并且我注意到,即使连海德汉在会场一起展示的总线式多圈绝对值编码器,也因为体积大而几乎无人问津。这说明运动控制市场对编码器的认知理解是有不同的角度。

作为新“运动员”第一次参加“运动会”,我一直在做编码器应用的服务与推广、编码器的研发与制造的角度,在此次会上从另外一个角度作了30分钟的演讲。下面是本次演讲其中的一部分,由于30分钟时间有限,在大会上有些预先准备的内容拿掉了,有些没有时间展开说明,在下面也有机会可以再补充。以供运动控制的工程师们参考与讨论。

一、运动控制产品对编码器的基本要求

1.运动控制的基本目标:

高精度加工,高速响应加工,多轴同步协作的加工,有可靠性高效的加工。

2.运动控制基本目标对应的编码器基本要求是:

高精度、高速响应,准确性、高效性,可靠性、安全性。

还要便宜。

3.高分辨率?

只是为了位置环和速度环的高精度和高速响应的一个手段。但是,超细分的高分辨率其实已经偏离了对精度的基本要求,依赖算法补偿已经偏离了高速响应基本要求。由于有传动减速机的掩护,大量做小型伺服电机的工程师们还不能明显看出这里面的问题。

4.停电记忆?只是为了高效,无需开机找零位的一个手段。但是如果是依赖计数器的计圈,尤其是停电后的微功耗管理下的计数圈数,仍然存在计数错误无法判断的可能性,偏离了运动控制可靠性与安全的基本要求。由于很多是小型伺服电机,这种可靠性与安全性带来的隐患还不是很突出。在风力发电这种大型设备上,已经大量换下了电子多圈编码器,这样的问题并没有引起运动控制工程师们的注意。

5.“能用就行,能用最经济的方式做出产品,或者做一件事,是展示工程师的本事。”这样的观念,在国内工控行业很突出。但是这种思维方式很不工业,很不“工程”,那是“农民与作坊式”思维,要凭一点点经验靠一点点运气。工业化的思维是需要有标准化、可流程化,可知与可控及容错性,减少甚至消灭制造过程中产品使用的不确定性,才能够可复制,保证大规模的工业化生产。我在本次大会上再次提出了运动控制创新产品18个月反馈周期的观点。

二、运动控制不可忽视的相关性

1.运动控制-伺服运动是动态的,不是静态的。

不能以静态的测试方法得到的编码器精度与分辨率,去理解伺服编码器的应用。如果是依赖于过度补偿与算法的某些编码器参数,在伺服电机动态时会怎么样?在伺服电机长期使用后,及使用中温度提升之后会怎么样?

2.运动控制,应包含电机与传动部分,应包含工艺输出端负载的变化与意外,减少不确定。

如果用直驱电机,当然就可以消除传动部分带来的困惑,但是直驱电机对输出端负载变化的敏感性,其要做到可知与可控难度更大。由于没有传动部分的掩护与杠杆作用,直驱电机输出的力矩大电流大,力矩加速度环控制难度较大,对于编码器的精度要求更高。

3.运动控制,应包含电机-传动与其他的电机-传动的位置、速度关系,减少不确定。

当多个电机在一起控制的时候,很多单个电机容易解决的问题,到了多个电机控制都要推翻重新来过,现有的同步控制器大部分是指令发出同步,反馈来至单个驱动器,还不是多电机大系统的闭环。

4.我的参考意见,是在传动轴上加装绝对值多圈编码器。

当然是要能够在传动部分加装编码器,要求是加装机械齿轮箱式的绝对值多圈编码器,后面再展开理由。

直驱电机不需要再加装编码器,但要选择高精度的伺服电机编码器,注意不只是编码器高分辨率,是编码器的高精度!编码器的高精度对于直驱电机的电流环极为重要,我在公众号介绍电梯编码器ERN1387文中已有讲解,可以回过头去看。

三、运动控制中同步控制的根本性问题

同步控制的根本,是多轴统一约定与反馈比较:

1.什么时候,各轴都能到达哪里,各轴响应度如何?

2.统一对表(时钟同步、TSN),统一对地图(零点对齐,绝对值唯一性编码)。

3.多轴同步控制不可忽视传动机械与负载可能的不同与变化。

4.由于是多轴在一起的控制,务必减少每一个轴上的不确定性。当在单轴上的不确定性是小概率事件,而在多轴同步控制时就会成为大概率事件。

四、有简单三句话建议收藏

由于前面说的“伺服是动态”的,在运动控制需要工业化思维的“可知、可控、可重复与可靠性”,那么下面三句话也许对运动控制就会很重要:

1.可以走硬件的永远比走软件算法快,并且可靠。

2.并行算法总是比串行算法快,并且可靠。走硬件解决是“并行算法”思维。

3.编码器的精度是硬件的,通过细分获得的高分辨率是“串行算法”的;全行程绝对值编码是“硬件”的“并行思维”,通过计数器累加增量的方式并记忆的是“串行思维”的。

在工业中,要做到减少不确定性,是要有准确性的高速,才是最高效,最可靠的,也就是最经济的。

五,绝对值多圈编码器的核心问题、是可靠性。

工业以太网的核心问题,是又多又快地容错性。

绝对值唯一性编码的容错性给运动控制带来的好处。

在传动输出轴上加装工业以太网绝对值多圈编码器,同步问题、高效与可靠性问题可以简单化。每一传动轴上可以获得绝对值坐标位置,无不确定性,可准确定位,无需找零,容错性效率高。绝对值坐标中与其他运动轴的相互位置关系确定,可很容易实现多轴同步、联动。

全行程绝对值编码的机械齿轮箱绝对值多圈编码器,它的核心就是可靠性,唯一性编码,在使用中首次调试对齐零位后,就不应该再有错码再有零点位置跑丢。由于装在传动后的输出工艺端,它的精度与响应直接对应加工精度与响应,它与其它轴之间的关系也很简单,大家在首次零点对齐后,各轴的绝对值坐标就是确定的,不受传动误差、传动机械磨损、加工工艺端负载的变化的不确定性的影响。各轴的位置关系仅仅与其运动控制有关,这是真实的多轴同步控制系统大闭环。

在以多轴运动控制的思考中,应尽量避免各单轴的不确定性,已经没有时间去验证编码器反馈数据是否有错,是否需要等单个哪一轴去找一下零位。在多个运动轴控制中,只要有一个轴数据出错,或者无法判断是否出错,都将带来整个系统的混乱、停机,甚至事故。因此,我一再坚持的电子多圈是以计数器计数多圈的,尤其是在停电状态下的微功耗计数圈数,其存在的不确定性。既然要用绝对值多圈编码器的功能,就不可忽视绝对值多圈编码器的核心问题,是容错性可靠性,编码原理上不可有不确定性。

工业以太网绝对值多圈编码器

工业以太网,是以互联网硬件以太网基础上实现工业多数据的传输。因互联网的高速发展,获益于满足社会需求的低成本与普惠性,其大规模化成功应用带来的好处,是多点数据连接同时在线传输的硬件成本低,技术成熟。工业以太网既要传承互联网硬件成功“普惠性技术成熟”的秘诀,又要兼顾工业数据传输的可靠性要求,对于机器类数据不确定性错误的识别与容错,纠错。

?Profinet,PI协会及德国西门子主导的工业以太网,实时工业以太网,RT(实时)通讯协定是针对PROFINETCBA及PROFINETIO的应用,其反应时间小于10ms。IRT(等时实时)通讯协定是针对驱动系统的PROFINETIO通讯,其反应时间小于1ms。在运动控制应用中,周期小于32us

?Ethercat,ETG协会及德国倍福主导的工业以太网,基于以太网物理基础的分布式总线技术,周期时间短,优于32us。提供分散式时钟机制,同步时钟找回。

?以太网更快,可连接更多设备,传输更大的数据量。

?工业以太网的发展,既是工业自动化需要,又是向工业互联网的发展趋势。

六、工业以太网绝对值多圈编码器,在多运动轴同步控制中突出的优势

在传动轴上加装工业以太网绝对值多圈编码器,在同步控制中带来了明显的优势:

1.每一个运动轴,在调试初始化零点对齐后,绝对值坐标不再改变,是几乎永久性可确定的,每个轴与其他轴的位置关系,在绝对值坐标上是几乎永久性可确定的。

2.用工业以太网将所有传动轴上的绝对值编码器高速联网,时钟同步找回时间同步点,所有外挂的绝对值多圈编码器可视在同一个“同时”对齐的绝对值位置坐标上。

3.以此绝对值位置坐标,虚拟一个移动轴,所有运动轴与此虚拟移动轴跟随,同步跟随。这是并行算法思维。

4.调试中找到响应度最慢的那个轴,虚拟轴以照顾那个最慢的轴,或者称为“主轴”,其他所有运动轴与虚拟运动轴跟随同步,相当于跟随“主轴”同步。

5.由于以太网的快速及同步时钟的找回,所有运动轴的同步计算相当于是并行的,与传动误差与磨损无关,与负载不同负载变化无关,不确定性最小。运动同步控制算法简单,项目成功性高。

6.调试时有绝对值位置坐标可做参考,可做记录,调试成功后不再改变。调试人工低,不需要返回再调试的人工低,可靠性安全性高。减少了不确定性,最终是大大节省项目成本与用户使用成本的。

运动控制的多轴同步控制,如果机械上有条件,就在传动轴上加装工业以太网绝对值多圈编码器(必须是机械齿轮箱式的,不然就显得多此一举了),犹如你打游戏过关时加了“外挂”了,多开了一个“天眼”,将前面要做的事看得清清楚楚,轻松过关。

这就叫“升维思考,降维打击”。游戏术语。

我不打游戏,我只是研究过史玉柱做游戏成功的秘诀——做游戏免费,卖装备赚钱。不舍得买好装备的打游戏者,很难成为游戏高手,是去送分的。你要把装备做好了,去成就你的客户,你就有机会赚钱。这个被发现的秘密分享给大家。

传动轴上加装编码器的选择,注意问清楚必须是机械齿轮箱式绝对值多圈编码器,这是我们的用户提到的,在国产宝马汽车生产线上与德国工程师合作,德国工程师特意关照的要求。没有电池,没有韦根。

下一篇,我再来写一下精浦机电(GEMPLE)的“profinet绝对值多圈编码器,在宝马汽车生产线上实现多电机同步控制的应用”的成功案例。

最后再给大家分享一个好消息,在本次“运动会”上,上海精浦机电公司的“工业以太网机械齿轮箱式绝对值多圈编码器”,荣获CMCD2018年度运动控制领域“技术创新产品奖”。实际上这个产品已经在国产宝马汽车生产线上有了成功的应用,并经过一段时间的高密度试用后,在去年8月份用户的项目就已经获得了验收通过。做好产品,成就客户,是我们一贯的宗旨。

下一篇,我再来写一下精浦机电(GEMPLE)的“profinet绝对值多圈编码器,在宝马汽车生产线上实现多电机同步控制的应用”的成功案例。

最后再给大家分享一个好消息,在本次“运动会”上,上海精浦机电公司的“工业以太网机械齿轮箱式绝对值多圈编码器”,荣获CMCD2018年度运动控制领域“技术创新产品奖”。实际上这个产品已经在国产宝马汽车生产线上有了成功的应用,并经过一段时间的高密度试用后,在去年8月份用户的项目就已经获得了验收通过。做好产品,成就客户,是我们一贯的宗旨。

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