低速调谐实战：FESTO EGC电缸以0.02mm/s运行的速度精度优化

本文旨在于描述一个应用案例，其中一台 FESTO EGC 执行器被调谐至以 0.02 mm/s 的速度移动，且速度偏差不超过 ±10%。

引言

一位客户向 FESTO 寻求解决方案，其需求涉及一台感应加热器需要以极其缓慢且恒定的 7.8 cm/小时（约 0.02 mm/s）速度沿一个零件进行扫描移动。在大多数运动应用中，循环时间是评估系统性能的关键因素，因此组件规格通常侧重于最大速度，例如电机的额定转速以 rpm 为单位，而直线轴以 mm/s 为单位。

然而，在需要极低速度的应用中，必须对系统设计给予特殊考虑，尤其是当速度的精度要求高于绝对位置精度时。一种常见的方法是使用高减速比齿轮箱，使电机能够在更稳定、更高的转速下运行，同时仍能在执行器端实现缓慢运动。齿轮箱通常被选配以保证电机最低运行在 200–300 rpm，这历来是伺服电机的实用下限。尽管伺服技术的进步已降低了这一最低值，但在许多应用中，200–300 rpm 仍然是一个可靠的目标。

在机械设计方面，滚珠丝杠轴因其刚性，在低速时提供更好的控制能力；相比之下，齿形带轴因其固有的弹性可能带来挑战。然而，滚珠丝杠和高减速比齿轮箱会增加成本。一种更具成本效益的解决方案可能是使用较低减速比的齿轮箱搭配精心调谐的齿形带轴——前提是它能在低速下保持所需的精度和稳定性。

FESTO EGC电缸低速调谐CMMT驱动器 — FESTO Automation Suite 软件——CMMT 驱动器调谐与 Trace 追踪功能

应用详情

该项目使用了以下 FESTO 组件：

1x CMMT-AS-C2-3A-MP-S1（单相交流伺服驱动器）
1x EMMT-AS-60-S-LS-RM（无刷伺服电机）
1x EMGA-60-P-G20-EAS-60（20:1 齿轮箱）
2x EGC-70-1900-TB-KF-0H-GK（1900 mm 行程齿形带直线执行器，两根轴由一台电机和一根连接轴驱动）
1x KSK-70-900（900 mm 长度连接轴）

主要系统需求包括：安装在执行器顶部约 100 kg 的负载质量；执行器将沿水平方向移动；最低速度为 7.8 cm/小时；速度最大允许偏差为 ±10%。

对于此应用，电机转速计算如下：EGC 尺寸 70 的进给常数为 78 mm/rev，20:1 齿轮箱，移动速度为 7.8 cm/小时。将 7.8 cm/小时转换为 mm/min：7.8 cm/hr × 10 mm/cm × 1 hr / 60 min = 1.3 mm/min。将 1.3 mm/min 转换为齿轮箱处的转速：1.3 mm/min × 1 rev / 78 mm = 0.0167 rpm。再转换为电机转速：0.0167 rev/min × 20 = 0.333 rpm。

因此，电机将以约 1/3 rpm 的转速运行，这一转速远低于伺服电机的典型下限。EMMT 电机配备标准绝对值编码器，具有 18 位即 2^18 = 262,144 个脉冲/转。因此，在 1/3 rpm 下旋转时，每分钟有 87,381 个脉冲，每秒有 1,456 个脉冲。凭借如此多的脉冲，在不使用更高减速比齿轮箱的情况下对该系统进行调谐似乎是可行的。

调谐过程

FESTO 电动运动选型软件（Electric Motion Sizing，EMS）会生成一个包含预配置调谐参数的调试文件，以简化整套处理系统的设置，前提是输入参数足够准确。在此应用中，目标速度低于 EMS 的典型运行范围。因此，调谐过程从针对 EMS 支持范围内较高速度（本例中为 7.5 mm/s）生成的参数开始。

调谐策略可能因系统机械特性和用户偏好而异。此应用的重点首先在于优化速度控制以确保运动平稳一致，随后对位置控制进行微调，以在定位运动期间进一步提高速度一致性。

为评估调谐效果，使用了 CMMT 驱动器的 Trace（追踪）功能。通过随时间监测实际位置/速度与设定值的对比，可以观察到系统行为的变化，并将其与调谐参数的调整关联起来。在初始测试中，当速度设定为 0.10 mm/s 时，实际速度偏差超过了 150%。

第一次调谐：在第一次调谐过程中，执行器被设置为以期望的 0.02 mm/s 进行速度运动。由于这种运动类型使用速度控制参数，调谐工作围绕放大增益、积分时间和滤波时间常数展开。滤波时间常数被增大，以补偿低电机转速下编码器脉冲频率降低的影响。时间常数过低会导致驱动器对微小的速度变化过度反应，从而引起振荡；时间常数过高会延迟驱动器的响应，导致实际速度在采取纠正性加速度之前就明显偏离设定值。

在调整好滤波时间常数后，通过对略高于和略低于初始设定值的数值进行测试来调谐速度放大增益。增大增益可在一定程度上减小设定值周围的速度偏差，但超过最佳值后，进一步增大增益反而会使偏差再次恶化。虽然可以调整积分时间以进一步优化响应，但由于速度偏差已保持在设定值的 ±10% 以内，因此被认为是不必要的。最终在 0.02 mm/s 的设定值下，速度偏差最高约 0.001 mm/s 或 5%。

第二次调谐：在第二次调谐过程中，执行器被设置为在两个绝对位置移动之间循环，使用了 CMMT 驱动器的 Record Table（记录表）功能。此过程中使用的位置是任意设定的，但速度与之前一样设置为 0.02 mm/s。在此应用中，EMS 计算出的位置控制参数表现非常出色。但略微降低位置放大增益会减小设定点位置随时间变化的剧烈程度，从而有助于保持速度的一致性。最终在 0.02 mm/s 的设定值下，速度偏差最高约 0.0008 mm/s 或 4%。

该应用还要求系统以更高速度返回起始位置以重新开始流程。由于速度放大增益增大，为低速运动优化的新调谐参数在高速下会引入过大的振动。为解决此问题，CMMT 驱动器支持多组参数集，可由上级控制器（PLC）进行切换。这使得存储一组针对低速运行优化的参数和另一组用于快速返回的参数成为可能，并可通过单个 PLC 命令实现无缝切换。