伺服運動控制器的案例
伺服液壓運動控制-選擇PLC還是運動控制器？（轉自液壓傳動與控制）
一些閉環運動控制的應用很顯然需要運動控制器，然而一些人也可以通過使用PLC來實現閉環控制。當然，選擇何種控制方式常常難以定論。
當你可以使用PLC控制的時候，為什么還需要花錢去購買一個專用的電液運動控制器呢？答案很簡單。一般來說，考慮的因素包括使用數量，實現難度，可用時間，生產效率，精度要求以及經濟性等。做出何種決定往往是很模糊的。根據以往的經驗，我知道哪種類型的應用可以用PLC，哪種不適用。
對于大多數的控制系統設計者來說，成本是首當其沖的想法。最簡單的辦法就是購買帶有模擬量輸入和輸出的PLC用于各種軸的控制，還可以帶有一些數字I/O，接著就可以編程了。通常都是從最簡單的比例控制開始，甚至PID控制塊都不需要。這就是目前市面上大多數的液壓伺服控制的做法，人們接受液壓的培訓很多，但也僅限于此。
模擬量的反饋必須轉化縮放為位置單位。然而，我很奇怪的是，在一些PLC論壇里，很多的人在咨詢如何把一個模擬量轉化為毫米或英寸。如果編程的工程師在問，很顯然他啥也編不了。對輸入值比例縮放之后，很簡單的做法就是，從指令位置減去實際位置，差值乘以比例增益，該值作為模擬量的輸出至閥。就是這么簡單！
1. 該仿真顯示了當指令位置突然改變100mm時將會發生什么。控制輸出在100%飽和，執行器突然加速。實際位置則慢慢的接近100mm的目標值。
模擬量控制的PLC設置
PLC控制的一個挑戰發生在液壓缸的指令和實際位置相差很大的情況，因為此時輸出至閥的信號可能很大。結果就是液壓缸全速運動至指令位置。在指令位置的時候會發生什么就取決于增益和負載大小了。有時候液壓缸會平滑減速至指令位置，但是如果負載很大，也會產生超調，并帶有衰減振蕩。
關于此問題可以有多種解決方案。
展開 伺服運動控制時油缸中的壓力是如何變化的（ 液壓傳動與控制）
英文作者：Jack Johnson 電液控制專家
中文譯校：騰益登
*本文大約1758字，建議閱讀時間：~10分鐘*
本文研究了一個閥控缸伺服系統的測試結果，該系統被設計用于電液運動控制的培訓項目。
研究油缸兩腔的瞬時壓力非常有趣，因為它揭示了液壓伺服系統某些固有特性或者叫奇怪現象。為了驗證運動控制系統的特性，我們研究了一個帶位置閉環控制的閥控缸的測試結果，見圖1。
該機構被設計用于一個特殊的電液運動培訓項目，油缸缸徑為2英寸，桿徑為1 3/8英寸，行程為6英寸，另外配置一個磁致伸縮線性位移傳感器用于位置反饋。負載為一個厚4英寸，直徑16英寸，重達250lb的飛輪。當3.5英寸的扭力桿垂直于活塞桿時，飛輪在油缸活塞桿端產生將近1500lb的等效質量。油缸與飛輪通過曲柄連接，如圖1右下所示。這樣的機械結構產生大約20Hz的自然頻率。曲柄機構的約束限定了油缸的最大動作行程在6英寸以下。
PC帶模擬量輸入和輸出的數據接口，利用其控制油缸運動。加速度，速度和位移曲線見圖1所示。利用PC程序的VCCM（Valve Control Cylinder Motion）指令中的曲線合成模塊（Profile Synthesizer module）對運動控制過程進行合成處理。采用比例控制，無積分或者微分控制環節。
圖1 位移，速度和加速度曲線
圖示左邊，用于示意在整個周期中如何控制伺服機構。右上圖，液壓原理示意解釋，而右下圖是一個簡化了的機械結構。控制初始階段，存在一個0.6s的初始駐留區（速度為零）。在接下來的0.28s，以18in./sec.2的加速度平穩加速。接著，有0.5s的勻速區，速度5.1in./sec（覆蓋大約2.5英寸的油缸行程）。接近油缸活塞桿伸出的終點，是0.28s的減速。
展開 綜述電液伺服運動控制系統的計算（轉自液壓傳動與控制）
閉環控制
圖2 閥控，電液位置閉環典型結構
圖2所示的系統闡釋了位置伺服機構，這是我們討論最終落腳點。圖2中的油缸提供負載力fL，而其位置與一個位置傳感器相連，傳遞函數為H，作為反饋信號。H值為電壓，進入誤差比較器，與指令信號電壓C做比較。誤差信號E輸送至伺服/比例閥放大器，從而推動閥芯運動。
只要誤差信號不是零，閥將持續運動，導致油缸推動負載，直至指令信號與反饋信號相等。此時，誤差為零，電流變為零，閥芯對中，負載和油缸停止。這就是它的工作原理。當然事實上，其會復雜很多。
展開 伺服運動控制時油缸中的壓力是如何變化的（轉自液壓傳動與控制）
本文研究了一個閥控缸伺服系統的測試結果，該系統被設計用于電液運動控制的培訓項目。
研究油缸兩腔的瞬時壓力非常有趣，因為它揭示了液壓伺服系統某些固有特性或者叫奇怪現象。為了驗證運動控制系統的特性，我們研究了一個帶位置閉環控制的閥控缸的測試結果，見圖1。
該機構被設計用于一個特殊的電液運動培訓項目，油缸缸徑為2英寸，桿徑為1 3/8英寸，行程為6英寸，另外配置一個磁致伸縮線性位移傳感器用于位置反饋。負載為一個厚4英寸，直徑16英寸，重達250lb的飛輪。當3.5英寸的扭力桿垂直于活塞桿時，飛輪在油缸活塞桿端產生將近1500lb的等效質量。油缸與飛輪通過曲柄連接，如圖1右下所示。這樣的機械結構產生大約20Hz的自然頻率。曲柄機構的約束限定了油缸的最大動作行程在6英寸以下。
PC帶模擬量輸入和輸出的數據接口，利用其控制油缸運動。加速度，速度和位移曲線見圖1所示。利用PC程序的VCCM（Valve Control Cylinder Motion）指令中的曲線合成模塊（Profile Synthesizer module）對運動控制過程進行合成處理。采用比例控制，無積分或者微分控制環節。
圖1 位移，速度和加速度曲線
圖示左邊，用于示意在整個周期中如何控制伺服機構。右上圖，液壓原理示意解釋，而右下圖是一個簡化了的機械結構。控制初始階段，存在一個0.6s的初始駐留區（速度為零）。在接下來的0.28s，以18in./sec.2的加速度平穩加速。接著，有0.5s的勻速區，速度5.1in./sec（覆蓋大約2.5英寸的油缸行程）。接近油缸活塞桿伸出的終點，是0.28s的減速。終點位置保持0.5s。油缸活塞桿縮回的過程周期是對稱的，然而，其在停止運動后持續約0.5s。
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探索液壓伺服運動控制中的VCCM方程（轉自液壓傳動與控制）
其用在開環傳遞函數就是：
此處：
OLTF:開環傳遞函數
K：開環增益
ζ：阻尼系數
L：拉普拉斯算子
ωn：自然頻率
如想要對液壓缸進行建模，了解其對控制信號的響應，該方程對我們的工程師來說就非常重要。開環增益也用于計算速度前饋增益，其與開環增益相互影響。
因此，如果我們想以250mm/s的速度來移動，而開環增益就是5（mm/s）/ %的話，我們目標速度（250mm/s）除以開環增益，就可以計算得到50%的控制輸出。直覺上就會告訴我們如果移動500mm/s就將得到100%的控制輸出。
流量系數
閥的流量系數Kvpl如上所述，用于計算穩態速度。如果穩態速度已知，你可以用VCCM方程計算閥的流量系數。閥的流量系數決定了閥的規格大小。伺服閥通常用額定流量，一般用升/分/（35的平方根）。閥通常是在額定壓降（70bar）來定義額定流量。然而，壓降是發生在兩個節流邊的-因此70bar必須除以二。
具有額定流量100L/min的閥，在35bar時具有的流量系數是：
你會發現，因為平方根的存在，計算單位顯得怪怪的。我想這就是為什么Jack Johnson決定在平方根的下面保留閥流量系數Kvpl 的平方，而不是把閥流量系數移至VCCM方程之前，如下所示。
把單位弄錯常常是導致誤差的來源。
當分析計算力的時候，其它型式的VCCM方程也許更有用。下面的型式對于計算油缸活塞和閥規格大小非常有用。
VCCM方程的發展
作為液壓運動控制器的設計者，活塞和負載在一個方向比另外一個方向移動得更快，對我來說是顯然的事情。即使在1980s，我們的液壓運動控制器已經把速度前饋增益剝離開來，用于補償伸出時開環增益和縮回時開環增益之間的差值。
展開 伺服閥/比例閥零位特性與平衡閥對精密運動控制的影響（轉自液壓傳動與控制）
英文作者：Peter Nachtwey, Delta Computer Systems
翻譯校正：騰益登
前言
聰明的選擇和使用你的閥，才能實現精密的控制。本文著重討論了零位特性對精密運動控制的影響，同時對于在伺服系統中如何使用平衡閥或鎖止閥做了詳細分析。
正文
良好的控制性能需要的不僅僅是良好的運動控制器，甚至最好的控制器也無法彌補拙劣的系統原理設計和元件選型。伺服閥、比例閥的特性對于閉環運動控制系統有著巨大的影響。諸如平衡閥之類的元件也會影響伺服閥、比例閥的運行。有時候由于項目緊張的周期導致了整個系統原理設計的缺陷以及不正確的選型，結果就是往往會花大量的精力和時間去處理這樣的系統，奢想達到期望的性能。更好的理解一些通用閥的應用問題可以縮短系統的設置時間，實現更精密的運動控制。
油缸飄移和閥的零位問題
在液壓控制系統中，飄移是一個微妙或者復雜的問題。我們從兩方面來討論，一個是相對比較直接易理解的執行器飄移問題，另外一個是更難琢磨不定的閥的零飄。執行器飄移發生在閥不在零位之處，當沒有控制信號時（比如閥供電被切斷），導致執行器活塞緩慢移動或者飄移。在某些情況，飄移是我們期望的——比如當不調整時，此時活塞桿縮回至安全位，彌補控制信號的丟失。
當飄移的速率太高或者飄移方向錯誤的時候，問題就來了。比如，如果飄移量高達閥控制信號10%的時候，就需要對閥進行補償了。如果10%的控制輸出信號只是用于保持位置，只剩下90%被用于驅動執行器運動，與飄移方向相反。結果就是，執行器也許只能得到該方向全速的90%。因此，對于有快速需求的場合，具有較大零飄的閥無法確保執行器達到期望的最大速度。
零偏的調整很容易，伺服閥通過調整閥體上面的螺釘，或者比例閥通過調整放大器來實現。
展開 伺服液壓元件與執行器的3D打印（ 液壓傳動與控制）
傳統方法制造的兩級伺服閥閥體，力矩馬達，噴嘴，反饋桿和閥芯。
采用3D打印制造的伺服閥，結構簡單化。先導閥芯帶LVDT，主閥芯帶LVDT，閥體結構簡單。
3D打印伺服閥的剖面圖。
3D打印鈦合金閥體。
X光掃描檢查結果。
伺服閥最終樣品。
關于集成的航空執行器，3D打印取消了一些螺釘，管接頭，管路以及相關的接口等，使得其更輕，更緊湊。
Moog使用在機器人上面的3D打印電液執行器。液壓元件諸如先導閥，閥芯，過濾器，油缸，傳感器以及控制器等實現有效布置和互聯。
鉆孔交叉處的應力集中被消除；通過彎管，減小了壓降；避免交叉鉆孔，減小工藝堵和死區，提高液壓剛度。
展開 運動控制器與PLC的本質區別，你知道嗎？
由于PLC的控制是由程序控制執行的，因而不論其可靠性還是運行速度，都是繼電器邏輯控制無法相比的。近年來，微處理器的使用，特別是隨著單片機大量采用，大大增強了PLC的能力，并且使PLC與微型機控制系統之間的差別越來越小，特別是高檔PLC更是如此。
運動控制器與PLC的區別
運動控制主要涉及步進電機、伺服電機的控制，控制結構模式一般是：控制裝置+驅動器+（步進或伺服）電機。
控制裝置可以是PLC系統，也可以是專用的自動化裝置（如運動控制器、運動控制卡）。PLC系統作為控制裝置時，雖具有PLC系統的靈活性、一定的通用性，但對于精度較高，如-插補控制，反應靈敏的要求時難以做到或編程非常困難，而且成本可能較高。
隨著技術進步和技術積累，運動控制器應運而生了，它把一些普遍性的、特殊的運動控制功能固化在其中—如插補指令，用戶只需組態、調用這些功能塊或指令，這樣減輕了編程難度，性能、成本等方面也有優勢。
也可以這樣理解：PLC的使用是一種普通的運動控制裝置。運動控制器是一種特殊的PLC，專職用于運動控制。
end
展開 機器人運動控制 | 開發基于應變的三分量傳感器
<p>達姆施塔特工業大學仿真機器人項目需要為負重行走機器人開發更具成本效益的感應足，以實現對機器人的運動控制。在HBK的幫助下，開發了基于應變的三分量力傳感器，來調節機器人的運動控制。</p><p><br></p><h2><strong>三分量力傳感器結構</strong></h2><p>為了測量x、y 和 z軸方向的力，共安裝了三個應變全橋：</p><ul><li><strong>z方向力測量</strong>：4個應變花K-TA11K3/350采用雙組份冷固化膠安裝在薄片式彈性體內部。</li><li><strong>x和y方向力測量</strong>：8個應變片K-LU13K1.6/350被黏貼在彈性體外部。這種帶背膠的應變片可以采用熱固化方式，并且安裝更方便。</li></ul><p>應變計的排布如圖1所示。1-4號應變片測量z方向，5-12號應變片測量x和y方向。這種三軸力傳感器采用鋁制圓柱形梁式結構。生產簡單，成本低廉。</p><p class="ql-align-center"><em><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/0dOps7rIddpRWj4PI35g5hP2dBCmdmGYsk70v3ib2PEvAIt7SMwsGMeOtd9DBFPxmnakQ6h4drlEB4KGO0kzeFA/640?wx_fmt=webp&from=appmsg"></em></p><p class="ql-align-center"><em>圖1 上圖為三維彈性體上的應變片，下圖為應變片在展開彈性體上的排布</em></p><p><br></p><p>為了測量最小的電阻變化，需要將應變片需要以全橋方式安裝（見圖2）。在ANSYS Workbench 19.1幫助下，應變被確定到指定方向。
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