引言：

在半導體晶圓加工，測量，精密激光切割，劃刻，掩模， 大格式FPD，OLED，PCB等檢測設備， 大格式工業打印機，大格式激光加工設備，SMT等領域，直驅龍門和大跨度龍門的平臺的應用越來越廣泛。這些龍門平臺往往大部分用直線電機，或旋轉伺服來驅動控制。但如何控制好這些龍門平臺，使得它即快速，又平滑，又能快速整定以滿足工藝的要求。那就得需要真正的雙驅龍門算法來滿足這類控制要求。相比較于傳統的所謂龍門算法，基本采用主從跟隨的方式來解決問題。ACS運動控制采用的是交叉解耦方式來實現雙驅龍門控制，當然算法中還集合了ACS多年在此類應用中其他一些算法來優化雙驅龍門算法。這樣對用戶來說配置，設置，調試就相當簡化。

提示：僅需要很小的升級就可以讓用戶戶老的龍門系統支持我們新的標準支持。見Section 1.8

1.1 硬件連接

一個完整的龍門系統需要專門負責龍門軸的兩個馬達和兩個編碼器：因此，龍門需要使用SPiiPlus的兩個軸。兩個龍門軸必須屬于相同的伺服處理器（SP），因此有確定的伺服限制存在。對于只有2個軸的伺服處理器，0軸控制兩軸之中的longitudinal (average)軸，1軸控制兩軸之中的yaw(difference)軸。對于4軸的伺服處理器，兩對龍門軸分別是，軸0 (longitudinal)和軸2 (yaw)，軸1(center of gravity)和軸3 (yaw)。

1.2 電機的標志定義

● MFLAGS (axis) bit 1 (#OPEN) —在龍門模式下，1：開環操作，使能longitudinal或者yaw

● MFLAGS (axis) bit 25 (#GANTRY)——1代表使能龍門操作

1.3 設置程序

以下設置程序針對兩軸伺服處理器。通過適當的修改軸號，我們可以將以下設置程序應用于其他伺服處理器上。以下操作的前提是假設兩個龍門馬達和驅動器都是相同的。

硬件設置：

1）連接0軸和1軸的馬達編碼器線纜到編碼器輸入端子上（只要馬達號和編碼器號匹配正確，哪個馬達對應軸0或者軸1都沒有關系）。

2）分別連接軸0和軸1 的驅動器輸出到軸0和軸1相對應的馬達上。

3）設置Set MFLAGS(0).25 = 0 and MFLAGS(1).25 = 0以確保兩種正常運轉。

      設置MFLAGS(0).12 = 0, MFLAGS(0).13 = 0, MFLAGS(1).12 = 0, and MFLAGS(1).13 = 0.

4）打開調試向導，按照普通獨立軸的設置方法設置軸0.

      對于初始調試，不要把位置誤差極限設置的太小。

5）保存結果到flash，轉向軸1.

6）將軸0的參數復制到軸1。

7）跳到前面的調試和換向，確認軸0的參數可以讓軸1運轉良好（確保軸0是 Disable的）

8）使用終端或者查看窗口，確認兩個編碼器工作正確而且讀數方向相同。可以通過Disable這兩軸，用手推動這兩軸到一個確定距離查看編碼器的讀書和方向。如果編碼器極性不對，應該在硬件上進行修改（交換A和A-）。

1.4 龍門調試

初始設置是讓馬達在非龍門模式下調試，每次只有一個軸使能。下面我們要在龍門模式下調試這兩個軸。

提示：調試龍門系統必須具備伺服控制環路理論、柏德圖、頻率分析的知識，如果需要幫助請聯系jasonhu@acsmotioncontrol.com.

初始龍門調試：

1）用手盡可能的將龍門軸的絲杠對其（適用于柔性龍門系統）。如果存在交叉軸負載，將其放在中間位置。

2）確認每個軸的調試參數是相同的。

3）讓馬達以相同的速度規劃運動相同的距離。

4）從SLVKP開始調節調試參數，之后調試SLVKI和SLPKP（似乎SLVKP需要被減少）。為了防止兩個馬達由于伺服參數不匹配造成相互排斥，必須同時改變兩軸的調試參數。

5）時域調試成功結束后，使用頻率響應函數分析器（FRF）確認各軸的穩定性。確保使用頻率響應函數分析器對兩軸都進行分析。初始龍門模式調試結束后，保存調試參數以便今后在回零程序中使用。

真正的龍門調試：

下一步是進入真正的龍門調試模式，優化longitudinal和yaw軸參數。一定要記住，一旦進入龍門調試會有一些變化。

a）FPOS(0)不再代表軸0 的編碼器，FPOS(1)不再代表軸1的編碼器。此時FPOS(0)顯示的是longitudinal的位置，也就是軸0和軸1編碼器的平均值。FPOS(1)顯示的是yaw軸的位置，也就是軸0和軸1編碼器的差值。

b）讓軸0做longitudinal軸運動，這個命令是作用在兩個馬達上的。讓軸1做yaw軸運動，相反的命令被發送給兩個馬達。（提示：硬龍門系統對于偏離軸運動響應不是很好）

c）軸0的調試參數控制longitudinal軸，軸1的伺服參數控制yaw軸。

d）軸0的電流極限限制線性力。軸1的電流參數限制旋轉力矩。

記住這些變化，再次檢查電流極限。特別要注意，檢查軸1的XCURV 和 XCURI。這些參數必須被限定，尤其對于剛性龍門系統。

注意：因為XRMS仍然是兩個獨立馬達或驅動器電流的有效值的測試值，它不能被更改。

對于龍門模式之后的章節COG軸(center-of-gravity, longitudinal)對應0軸，Yaw-axis對于1軸。

1）Disable 馬達，設置MFLAGS(0).25 和 MFLAGS(1).25 為1.

2）設置COG 和Yaw調試參數的初始值。COG的初始值可以設置為非龍門模式下軸0或者軸1的參數。大多數情況下，這可以導致一個穩定的伺服調試。Yaw的調試參數通常要比這些值小。

3）對于硬龍門系統，在調試COG軸時，有時候需要打開Yaw控制環路。  

      如何打開？

4）Enable 馬達，用FRF分析器優化COG軸調試參數

5）用FRF分析器優化Yaw軸調試參數。

一旦龍門模式調試結束，保存所以參數到flash

1.5 換向

Commutation startup is required for future controller power-ups.  It can be done in several different ways:

換向啟動將在未來的控制器上電時完成。目前有幾種方法完成。

● 換向命令——換向命令可以用于最小閉環帶寬30-40HZ的小型和中型龍門系統

● 步進模式換向——在大型龍門系統應用中推薦使用這種方法

● 霍爾換向——這種方法具有魯棒性，適用于任何系統。但是相對于之前的兩種方法精度略低。

換向命令：

關于換向命令的詳細介紹請參考SPiiPlus Setup Guide。一定要注意，在龍門系統中使用換向命令時，一定要分別對每個馬達分別使用，因此這一命令必須在非龍門模式下使用。這是保存一組非龍門模式下調試參數的原因之一。當使用換向命令時，推薦的操作步驟如下：

1）Disable馬達進入非龍門模式(MFLAGS(0).#GANTRY = 0, MFLAGS(1).#GANTRY= 0)

2）下載非龍門模式下的調試參數

3）Enable軸0，使用換向命令進行自動換向。結束后disable 軸0

4）軸1重復以上步驟

步進模式換向：

步進模式換向是讓軸以開環步進模式運動直到找到indexes的過程。一旦indexes被找到，換向相位從flash中取回。當使用步進模式換向時，推薦使用以下步驟：

1）Disable 馬達，進入非龍門模式(MFLAGS(0).#GANTRY = 0, MFLAGS(1).#GANTRY = 0)

2）以步進模式運行軸0（整個過程中只有軸0是能動的），直到限位開關被觸發(或者停止被發現)。反向運行直到軸0和軸1的index被找到。

3）Disable 軸0，給軸0和軸1下載換向相位。

霍爾傳感器換向：

霍爾傳感器換向的詳細介紹請參閱SPiiPlus ACSPL+ Programmer’s Guide.

換向過程結束后可以進入龍門操作模式。但是，對于大傾斜偏置系統這不是最好的方法，因為這樣可能造成yaw軸不穩定。大多數情況下，當非龍門模式調試參數可用時，推薦先在非龍門模式下回零馬達然后在進入龍門操作模式

1.6 回零和傾斜對齊

回零的方法有很多，在這里我們只關注更通用的兩種方法：限位開關回零和結束停止回零。對于這兩種方法我們都假設軸0和軸1上都存在indeses，而且回零過程已經成功完成。

限位開關回零：

限位開關回零是將兩電機運動到限位開關然后退回到index的過程。Index被用作新坐標平面的初始點。回零可以在龍門模式下或者非龍門模式下完成，推薦使用非龍門模式。當在非龍門模式下使用限位開關回零時，推薦按照以下步驟：

1）Disable限位開關的默認響應

2）讓兩個馬達同時朝相同方向同步運行

3）一旦遇到一個限位開關，停止相應的馬達。一旦兩個限位開關都被發現反向并重置index標志。

4）一旦軸0和軸1的indexes都被觸發，停止運動。

5）用indexes設置各軸的零點位置

     SET FPOS(0) = FPOS(0) – ( IND(0) – OFFSET(0) )

     SET FPOS(1) = FPOS(1) – ( IND(1) – OFFSET(1) )

結束停止回零：

末端停止回零是運動兩個馬達到物理末端然后返回index的過程。通過監測位置誤差可以判斷什么時候末端停止被觸發。對于這種方法，要想具有魯棒性，必須先通過以一個相似的運動規劃測試運動機臺的最大位置誤差（尤其是有斜偏置存在時）。取一個略微大一點的值作為門限來判斷末端停止是否被觸發。這種方法可以在龍門模式和非龍門模式下使用，推薦在非龍門模式下使用。

在非龍門模式下使用末端停止回零時，推薦使用以下步驟。

1）減少兩軸 的輸出電流以防止損傷負載或者出現硬限位。（減少XCURI and XCURV）

2） 緩慢以相同方向移動兩軸

3）一旦位置誤差門限被超出，停止相應軸的運動。一旦兩軸都停止，反向運動，復位index標志。

4）一旦兩軸的index都被觸發，停止運動。

5）重新設置輸出電流（重設XCURI 和XCURV）

6）用index給每個周設置零位

     SET FPOS(0) = FPOS(0) – ( IND(0) – OFFSET(0) )

     SET FPOS(1) = FPOS(1) – ( IND(1) – OFFSET(1) )

進入真正的龍門模式：

從現在開始，我們進入真正的龍門模式操作。進入龍門真正的龍門模式需要按照以下步驟。

1）Disable 軸0和軸1

2）設置MFLAGS(0).#GANTRY and MFLAGS(1).#GANTRY，以允許龍門模式操作

3）下載龍門模式調試參數和安全參數。

自動斜對齊

不使用任何額外設備實現自動寫對齊的簡單方法是監控Yaw軸的驅動電流。理論上來說，當交叉軸非常完美的垂直時，Yaw軸只需要最小的驅動電流。噪聲問題會使對最小電流的搜索成為不可能，因此，這個過程只搜索一個電流的門限值。電流門限選擇必須大于任何噪聲造成的電流波動值。一個好的辦法是用一個較小的門限開始運行自動斜對其多次。如果結果不是一致的，增加門限值重新開始。這個門限值要比馬達的有效電流值小一些。電流搜索要在正負方向上都進行，當門限值增加了，Yaw 軸反饋位置要被保存。兩個位置反饋的中點將被認為是Yaw軸驅動電流最小位置。

在使用Yaw軸驅動電流自動完成寫對齊時，推薦使用以下步驟。

1）朝一個方向慢慢運動Yaw軸

2）監控驅動電流，一旦電流超過門限值，存儲電流反饋位置。

3）反向運動Yaw軸直到電流門限再次超過門限，存儲反饋位置。

4）兩個反饋位置的平均值是Yaw軸的偏置，這個偏置將會被用到。設置Yaw軸反饋位置等于當前反饋位置減去Yaw軸偏置。

4）存儲Yaw偏置到flash中。將來的回零程序可以從Flash中下載，到時候只需要步驟4就可以完成回零。

1.7 安全考慮

因為兩個馬達之間存在耦合，龍門平臺比單軸馬達系統需要更多的保護控制， ACS公司在龍門控制支持中加入了大多數額外的保護功能，但是對于使用者來說理解這些保護特點和理解他們會如何影響終端用戶是很重要的。

Enable/Disable  龍門馬達

當兩個馬達是在龍門模式下時，他們本質上被當做一個大馬達。如果其中一個馬達被Enable ，另一個也會被Enable。如果其中一個被disable,另一個也會被disable。

電流保護參數

現在電流保護參數XCURI 和XCURV有了不同的意義。由于這些原因，在系統從非龍門模式進入龍門模式時有必要更改一些這些參數的值。XRMS 保護值保持不變。

● COG軸：XCURI and XCURV會分別限制閑置和峰值時的線性力矩。COG軸電流輸出將被平均作用在兩個馬達上。

● Yaw軸：: XCURI and XCURV將會分別限制限制和峰值時的旋轉力矩。Yaw電流輸出會作用于兩個馬達。一個馬達得到正Yaw電流，另一個將會得到負Yaw電流。為了減少被加載在機械結構上的額外力矩，最小化the XCURI and XCURV的值是很重要的。

舉一個例子：我們假設我們的驅動器是5A的連續電流，10A的峰值電流。

如果COG軸的。XCURV是80（代表8A），Yaw軸被設置20（2A），在實際運動中，任何一個軸的電機得到10A的電流都是有可能的。如果COG軸輸出是8A，Yaw軸輸出是2A，一個馬達將會得到10A的電流，而兩一個馬達會得到6A的電流。

結束語：

通過上面的設置調試，用戶很容易的就調試出比較出色的龍門平臺。調試工具的人性化和簡易化，即使你并不很懂伺服算法。非常適合不精于開發伺服算法的控制工程師，或電氣工程師甚至機械專業工程師的使用。以保證用戶縮短機器研發時間，以及生產周期等方面有極大的效益。