直線定位平臺(tái)一般基于編碼器按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確定位。這些編碼器一方面用于定位，另一方面通常同時(shí)用于無刷伺服電機(jī)的換向。

然而對(duì)于某些應(yīng)用而言，位置控制卻沒有力控制重要，比如材料壓合應(yīng)用。當(dāng)把兩個(gè)物體壓合在一起時(shí)，如果我們是控制位置量，那么由于物體厚度、環(huán)氧樹脂量和平臺(tái)反向間隙等變化因素會(huì)極大地影響壓合力的大小，造成力過大或過小而不能成功實(shí)現(xiàn)壓合。如果我們將力反饋?zhàn)鳛樗欧h(huán)的“位置”給定，那么我們就可以確保每次都施加同樣大小的力，不論如上影響因素如何變化。

氣動(dòng)解決方案的缺點(diǎn)是力控不夠精細(xì)且難以適應(yīng)各種工藝變化。

力控其它應(yīng)用場(chǎng)合還有力數(shù)據(jù)回放和振動(dòng)測(cè)試等。

在如下的例子中，首先被測(cè)件在位置控制模式下移動(dòng)到某個(gè)加載/卸載位置，當(dāng)移動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)切換到力控模式進(jìn)行測(cè)試或操作。此時(shí)，按工藝要求，可以保持一個(gè)恒力，或者某些情況下需要一個(gè)按設(shè)定時(shí)序精確變化的力。這就需要可以如控制位置一樣控制力。

有兩種基本方法可以實(shí)現(xiàn)力控制：自動(dòng)聚焦環(huán)路控制和傳統(tǒng)PID環(huán)路控制。根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合選擇其中某個(gè)更好的控制方式。我們這里描述的方法是傳統(tǒng)PID方法，這個(gè)方法用于力閉環(huán)帶寬要求較高的場(chǎng)合。自動(dòng)聚焦方法通常只能達(dá)到1/5的PID方法的帶寬。

關(guān)鍵設(shè)置點(diǎn)：系統(tǒng)要設(shè)置成雙閉環(huán)模式。編碼器用作速度環(huán)路反饋輸入和電機(jī)換向。測(cè)力傳感器輸出作為位置環(huán)路反饋輸入。Ensemble控制器可以接收+/-10V模擬量輸入信號(hào)。模擬輸入通過16位ADC采樣，所以其分辨率是+/-32767。

此次測(cè)試中的力傳感器輸出+/-1V信號(hào)，所以Ensemble接收到的最大值會(huì)是+/-3276。

當(dāng)不需要力控而需要用于加載/卸載操作的簡(jiǎn)單定位控制時(shí)，可以通過簡(jiǎn)單的程序把控制器切換為單閉環(huán)控制模式，即設(shè)置位置反饋和速度反饋都來自編碼器（光柵尺）。

以下測(cè)試中用到的產(chǎn)品和儀器如下：

控制器：EnsembleHPe10

直線平臺(tái)：LMA-300（內(nèi)裝有BLM142電機(jī)和1um分辨率光柵尺）

力傳感器：Omega51-50

參數(shù)設(shè)置：如下參數(shù)都要設(shè)置好

力控模式參數(shù)設(shè)置：

位置模式參數(shù)設(shè)置：

¹CountsPerUnit基于Aerotech驅(qū)動(dòng)器的ADC。16位模擬量輸入的范圍是+/-10V，-10V等于ADC的0單位，10V等于65536單位，0V等于32768單位。1磅力對(duì)應(yīng)的ADC單位數(shù)需要通過計(jì)算得到。比如10V輸出時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)量到的力是350磅，那么CountsPerUnit就是32768/350=93.6229單位/磅。

²CountsPerUnit基于分辨率和用戶單位。比如當(dāng)編碼器分辨率為0.25um和編程單位為mm時(shí)，這個(gè)參數(shù)就是1mm/0.00025mm=4000CountsPerUnit。

³CountsPerUnit參數(shù)更改需要重啟控制器才能生效。如下例子中，這可用于計(jì)算一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)，這樣運(yùn)動(dòng)指令可以按一定比例轉(zhuǎn)換，從而可以保持原有的系數(shù)而編程中可以用新的單位。

兩種模式的調(diào)試參數(shù)會(huì)有所不同，可以基于力控模式還是位置控制模式設(shè)置成不同值。

每種模式的增益參數(shù)需要分別調(diào)試。Autotune工具可以用于位置控制模式調(diào)試。Autotune同樣也可以用于力控模式，或者可以通過階躍響應(yīng)方法來手動(dòng)調(diào)試增益參數(shù)。

圖1：階躍相應(yīng)曲線觀察誤差變化

例子程序：

首先系統(tǒng)設(shè)置成基于編碼器反饋的位置控制模式，然后切換到力控模式。

程序中的參數(shù)基于位置控制模式設(shè)定。例程調(diào)用了ForceControl函數(shù)庫。

速度反饋類型不能配置成NONE值。

以上程序的部分力控曲線圖：

同一圖上顯示力控和卸載運(yùn)動(dòng)曲線：

以7磅力幅值和3Hz頻率往復(fù)力控制：

以1磅力單位增量步進(jìn)然后返回曲線圖：

如上圖中某個(gè)步進(jìn)階梯的在位穩(wěn)定性放大圖（以AD計(jì)數(shù)為單位）：

如上圖以磅為單位時(shí)：

從上圖中我們可以觀察到模擬量輸入變化值是644uV。每個(gè)AD單位計(jì)數(shù)約為305uV，因此抖動(dòng)幅度為2個(gè)計(jì)數(shù)單位。基于力傳感器的分辨率可以判斷你可以多快地跟隨給定的力命令。

翻譯：胡杰輝，控制系統(tǒng)經(jīng)理，Aerotech中國，jason.hu@aerotech-china.com