台达运动控制 的基础知识

运动控制的基础知识

位置单位

PLS 位置单位是什麽

PLS单位即编码器的脉波单位，以台达A2伺服为例，编码器解析度虽然有分17 bit与

20 bit。但PLS 单位都统一定为1280000 PLS/每圈，使用者无法更改。也就是当齿轮比设

为１：１时，命令必须下达1280000 个脉波，伺服马达才会转一圈．此单位由于解析度高，适用于驱动器底层马达控制。然而在运动控制系统中，必须建立一个绝对坐标系，若以PLS 做为位置单位，不论是命令或回授，都有以下的问题：

1.此单位对应到机械末端的位移量，通常都不是整数的公制单位，不容易观察。

以下图为例，一伺服经联轴器连接一导螺杆，编码器的解析度为1280000

PLS/每圈，螺杆的节距为10mm，则每一PLS对应的长度为0.0078125

um ，并不是整数，所以使用起来并不方便。

2.不同机种或不同厂牌的伺服马达其编码器解析度不同，更换马达后PLS单位就

不同。且一个控制系统往往不只使用一个马达，每个马达连接的机械结构尺寸各异，即使马达型号相同，各轴转一圈对应的机械位移量也不同，造成每个轴的PLS单位不同，这对多轴路径规划是极为困扰的！

3.为了马达控制性能的提升，编码器的解析度愈来愈高，但位置计数器的宽度通

常只有32 bit，若採用PLS单位会让位置计数器很容易发生溢位(Overflow)。

例如某一编码器解析度为23 bit/每圈，若初始位置为0，只需要旋转256圈[注1]就可令位置计数器溢位。在不允许溢位的应用(例如绝对坐标定位），机械的行程可能很长且有安装减速机，限制马达不可超过256圈是不切实际的。

4.传统控制器是发送实体脉波给驱动器来控制伺服马达的，若命令以PLS为单位

会造成脉波命令频率过高，以1280000 PLS/每圈为例，若要达到3000

rpm ：

脉波命令频率= 1280000 （PLS/Rev）x 3000 （Rev/min) / 60

(sec/min)

= 64000000 PLS/sec

= 64 MHz

控制器很难发送如此高频率的实体脉波，必须藉由电子齿轮比来放大倍

率，使脉波命令的频率降低。而命令放大前的单位即为使用者单位

（PUU)。

[注1]位置计数器虽然是32 位元，因为是有号数的关係所以必须扣掉

1 个符号位元，最终能够不溢位的马达旋转圈数＜

2 （32-1-23）= 2 8 = 256

圈

PUU 位置单位观念说明

在运动控制系统中，包含许多位置计数器，来纪录机械当时的位置，命令与误差。以PLS做为单位并不适合，（原因请参考连结）。因此必须引入新的位置单位，称为使用者单位PUU（Pos of User Unit），在传统以脉冲作为位置命令的系统称为脉冲当量，表示一个脉冲对应的移动距离，由于目前控制系统可透过通讯发送命令，没有实体脉冲，使用者可更加自由的设定想要的位置单位，称为使用者单位PUU。PUU与PLS的关係即为电子齿轮比

（N/M)，如下所示：

PUU（数目/每转）* N/M (电子齿轮比分子/分母）= PLS（数目/每转）

电子齿轮比左侧，属于控制系统，採用PUU单位。齿轮比右侧，属于驱动器内部，採用PLS单位[注1]。两侧都各有位置回授（FB)，命令(CMD)与误差(ERR)。且满足ERR = CMD – FB。

[注1]，藉由提升编码器的解析度（目前已达23 bit/Rev），可让位置分辨率与低转速的速度估测更精确。驱动器的目标是让马达控制的性能最佳，自然是直接以PLS单位来处理为佳！

使用PUU单位的主要优点：

1，方便观察PUU 代表的单位是由使用者所定义，自然可以选择常用且易于观察的单位。例如公制单位m 或角度。

▪直线运动的机构，PUU通常定义成10um 或1um 或0.1 um。

▪旋转运动的机构，通常机构一週定义成360000个PUU 或再补若干个0，让PUU等于0.001度或更细。也可以定义旋转一週为100000PUU，如此一个PUU即表示1/100000 圈。

如此PUU就是常用单位的千分之一或万分之一，很容易由PUU直接理解机构实际的位置。

2，单位统一在控制系统中往往不只一个马达，每个马达连接的机械结构尺寸各异，马达型号或编码器解析度也许不同，各轴转一圈对应的机械位移量就会不同，使每个轴的PLS单位不同。运动控制器在做路径规划时各轴的位置单位必须要统一才会方便！使用PUU 便可以满足此要求。

由于编码器解析度通常很高（例如20 bit/rev)，PLS单位太细，因此电子齿轮比通常会远大于1，来降低PUU 的解析度。这样可以让控制系统的位置

计数器比较不容易溢位。但也要注意电子齿轮比太大的时候，会造成马达运转命令不够平滑，尤其是低转速下的抖动会很明显，甚至有走走停停的现象。

一般建议马达一转对应的PUU 数目宜在5000 PUU/rev 以上为佳！

若以台达A2伺服马达为例，PLS单位是1280000 PLS/rev，则电子齿轮比设定的最大值应为？

因爲PUU数目/rev = 1280000 PLS/rev * M/N (电子齿轮比倒数）>

5000 (PUU/rev)

所以电子齿轮比N/M < 1280000/5000

电子齿轮比N/M < 256

PUU 与齿轮比的优先顺序：

由以上分析得知，PUU 是根据我们的喜好或需求选定的，所以应该是先决定PUU 单位，然后再算出对应的齿轮比！这个顺序不应该颠倒，毕竟伺服是为人们提供服务的，不该让使用者被动的接受奇怪的PUU单位！计算齿轮比的方法可以参考：由机构末端反推电子齿轮比．

电子齿轮比

电子齿轮比公式推导－丝杆机构

本文针对丝杆(螺杆)机构提供伺服驱动器电子齿轮比的公式推导，决定齿轮比的原则是：先决定位置单位PUU（Pos of User Unit），必须要方便观察，通常PUU = 1～10 µm，依此计算出对应的齿轮比，而不是先决定齿轮比，再算出一个PUU 是多少的长度，否则就是自找麻烦了（原因请参考PUU 观念说明），首先说明符号定义：

▪ 1 mm 对应的PUU数（P）：PUU为使用者单位，或PLC 脉波单位

▪机械的减速比（n1 : n2）：减速时n1 ＜＝n2，

▪螺杆圈数单位（REV）：大写

▪马达圈数单位（rev）；小写，rev = REV ×（n2/n1）

▪螺杆的导程（Pitch）：螺杆转一圈机械移动的距离（mm/REV）

▪编码器解析度（R）：编码器一圈的PLS 数（PLS/rev ）

▪电子齿轮比（Num/Den）：PUU 脉波数经齿轮比放大得到PLS 脉波数