孫 敏，符 瑤，譚立杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

在工業(yè)控制的發(fā)展過程中，工業(yè)控制系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和分散化發(fā)展，同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備要求以多分支結(jié)構(gòu)、雙向傳輸和全數(shù)字式的通信控制網(wǎng)絡(luò)相連。EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是 由 德 國(guó) 倍 福（BECKHOFF）自動(dòng)化公司于2003年提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。它具有大數(shù)據(jù)、高速、有效的特點(diǎn)，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以往現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)通信速率和串行通信方式引起同步性差，運(yùn)動(dòng)控制失真。并且各種總線技術(shù)之間缺乏開放性，互通和互操作性差，且價(jià)格昂貴，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)有效地解決了這些不足，為高精度、同步控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的保障[1]。EtherCAT的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在五個(gè)方面：（1）刷新周期短；（2）同步性能好，能實(shí)現(xiàn)精確同步；（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，幾乎能支持任何拓?fù)漕愋停唬?）可靠性高，雙網(wǎng)卡的冗余電纜可保證系統(tǒng)可靠性。

基于EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的物料傳輸控制系統(tǒng)作為大型半導(dǎo)體工藝設(shè)備的核心模塊，其傳輸功能及性能指標(biāo)直接影響工藝設(shè)備的效率、產(chǎn)能以及產(chǎn)品的質(zhì)量。所以該物料傳輸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制精度高和響應(yīng)速度快的性能成為提高傳輸可靠性、穩(wěn)定性和效能的保障。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成與運(yùn)動(dòng)控制器類型

典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及檢測(cè)反饋系統(tǒng)等構(gòu)件組成，如圖1所示。其中運(yùn)動(dòng)控制器是系統(tǒng)的核心，是決定自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的主要器件。

圖1 典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

目前常見的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為3類：

（1）基于計(jì)算機(jī)總線的運(yùn)動(dòng)控制器如圖2(a)所示，其具有開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微處理芯片作為MPU，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算、伺服驅(qū)動(dòng)和專業(yè)或通用I/O功能，而且具有開放的函數(shù)庫供用戶根據(jù)不同需求調(diào)用，使用高級(jí)面向?qū)ο筌浖_發(fā)應(yīng)用軟件接口，組成實(shí)現(xiàn)用戶各種需求場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；

（2）Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制器如圖2(b)所示，其軟件全部安裝在上位機(jī)PC中，硬件只是上位機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器和外部擴(kuò)展I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化接口，運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核開放給用戶，具有極大的靈活性，給用戶提供更多的選擇空間和更靈活的運(yùn)動(dòng)控制方式；

（3）嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器如圖2(c)所示，這種控制器以計(jì)算機(jī)總線為基礎(chǔ)，將上位機(jī)PC嵌入到運(yùn)動(dòng)控制器中，其具有低功耗、節(jié)省空間、通訊性能更可靠的特點(diǎn)，適用于側(cè)重運(yùn)動(dòng)控制性能、軸數(shù)量相對(duì)少的運(yùn)功控制系統(tǒng)[2]。

圖2 三種運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)組成示意圖

采用EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器作為運(yùn)動(dòng)控制核心的控制系統(tǒng)，使用上位機(jī)的程序調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制自帶的庫函數(shù)和底層固件編寫的分散型運(yùn)動(dòng)模塊接口程序，完成復(fù)雜的多軸物料傳輸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制。

2 物料傳輸系統(tǒng)組成

物料傳輸系統(tǒng)由傳輸機(jī)械手、內(nèi)部緩存物料庫、物料交換機(jī)械手、氣動(dòng)氣浴環(huán)境和3個(gè)外部物料庫等模塊組成；每個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用絕對(duì)值編碼器、光柵尺閉環(huán)反饋，簡(jiǎn)化了底層固件尋找原點(diǎn)位置的運(yùn)行程序，使復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)減少了冗余動(dòng)作，提高了運(yùn)行速度、穩(wěn)定性和可靠性；每個(gè)模塊在相互交接位置都具有安全防護(hù)系統(tǒng)，保證在同步并行的過程中物料和設(shè)備的安全。安全防護(hù)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，傳感器、編碼器、機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)等屬于硬件部分，底層高頻率響應(yīng)的控制器固件程序以及上位機(jī)的流程互鎖程序?qū)儆诎踩雷o(hù)系統(tǒng)的軟件部分。這些傳感器和簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器都由外部擴(kuò)展I/O模塊完成檢測(cè)和輸出。

3 物料傳輸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物料傳輸系統(tǒng)的控制架構(gòu)如圖3所示。

圖3 物料傳輸系統(tǒng)架構(gòu)圖

物料傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：首先通過人工或者天車系統(tǒng)給外部物料庫的上物料LOAD接口放入物料盒，通過外部物料庫的多種傳感器讀取物料盒信息、物料盒內(nèi)物料是否存在狀態(tài)、正確存儲(chǔ)的狀態(tài)以及每個(gè)物料的條形碼信息；然后通過取放物料機(jī)械手根據(jù)上位機(jī)的指令從外部物料庫中獲取指定物料盒中的指定插槽中的物料，接著將此塊物料放入內(nèi)部緩存物料庫；最后根據(jù)信息記錄和流程需求，將換下的物料重新放入外部物料庫中的對(duì)應(yīng)物料盒中。內(nèi)部緩存物料庫的作用，是將需要的物料和出口接口處的物料交換時(shí)，做一個(gè)快速交替的暫存位置，縮短出口處交換物料的間隔時(shí)間。在內(nèi)部緩存物料庫里，交換物料機(jī)械手通過多工位旋轉(zhuǎn)物料叉，快速更換傳輸出接口處的物料。

在該系統(tǒng)傳輸控制架構(gòu)中，上位機(jī)PC和運(yùn)動(dòng)控制器通過Ethernet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)動(dòng)控制器和各個(gè)組成模塊的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器還有外部擴(kuò)展I/O模塊則是通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸效果，保證了各個(gè)電機(jī)的同步性能和高響應(yīng)頻率。

主站通過XML文件完成網(wǎng)絡(luò)配置、識(shí)別從站設(shè)備等工作，從站的作用是將捕捉到的多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際編碼器位置信號(hào)、速度信號(hào)及轉(zhuǎn)矩信號(hào)反饋到控制器，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到伺服驅(qū)動(dòng)器。利用一主站多從站的格局，達(dá)到實(shí)時(shí)和同步傳輸動(dòng)態(tài)命令、收取反饋狀態(tài)的目的，從而實(shí)現(xiàn)多軸相互之間高精度同步控制。EtherCAT支持各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如總線型、樹型、星型[3]。

4 物料傳輸系統(tǒng)控制軟件構(gòu)成

軟件設(shè)計(jì)主要由底層控制器和上位機(jī)PC程序兩部分組成。底層固件中包括運(yùn)動(dòng)控制功能模塊、讀取編碼器反饋轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換傳感器數(shù)據(jù)采集、功能傳感器邏輯組合狀態(tài)讀取、中斷處理、底層安全判斷和處理等。上位機(jī)PC主要處理與下位控制器的接口程序、流程調(diào)用、故障處理等。

5 物料傳輸系統(tǒng)的控制算法

5.1 經(jīng)典PID算法

采用經(jīng)典的PID算法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，PID控制策略是以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，常用于擁有簡(jiǎn)單的控制目標(biāo)或易于確定其模型的系統(tǒng)中[4]。最常見的PID控制原理如圖4所示。

圖4 經(jīng)典PID控制原理圖

電機(jī)或是其它的執(zhí)行元件以及用于檢測(cè)的傳送的結(jié)構(gòu)都屬于廣義的被控對(duì)象，圖4中被虛線包圍的式PID的控制器，其輸入值式給定值r(t)和檢測(cè)到的實(shí)際值有y(t)之差e(t)：

對(duì)偏差e(t)分別進(jìn)行比例變換、積分變換和微分變換，再將所得的3個(gè)結(jié)果進(jìn)行線性組合，該組合就是PID的控制規(guī)律：

式(2)中，Kp為比例系數(shù)，T1為積分的時(shí)間常數(shù)，TD為微分的時(shí)間常數(shù)，將上面的控制規(guī)律轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)的格式，即：

在計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)下，將此模擬化的PID算法進(jìn)行離散處理，使之成為數(shù)字化PID的算法，得到離散化的PID算法：

其中，KP為比例增益，KI=為積分系數(shù)，KD=為微分系數(shù)。比例系數(shù)KP、積分的時(shí)間常數(shù)TI和微分的時(shí)間常數(shù)TD的選取和PID調(diào)節(jié)器的性能休戚相關(guān)。通過上述內(nèi)容可知傳統(tǒng)意義上誤差的現(xiàn)實(shí)因素(P)和過去因素(I)、將來因素(D)之間是有一定關(guān)系的[5]。

采用自帶速度和位置環(huán)整定的控制器，自動(dòng)整定的PID參數(shù)可根據(jù)最終精度需求做微調(diào)整，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過程中負(fù)載相對(duì)變化不大的軸來說，手動(dòng)微調(diào)再加頻域響應(yīng)整定后的參數(shù)基本滿足精度和穩(wěn)定性要求。

5.2 模糊自適應(yīng)PID控制

物料本身質(zhì)量不可忽略，而且物料材質(zhì)不同，質(zhì)量差別也很大。2個(gè)機(jī)械手垂向控制，夾取和未夾取物料2個(gè)狀態(tài)的負(fù)載變化相對(duì)大，2種狀態(tài)下穩(wěn)定的控制狀態(tài)，固定PID參數(shù)不符合在負(fù)載不同、加速度不同情況下對(duì)精度控制的要求。由于被控對(duì)象的不確定性和非線性性，本文結(jié)合PID控制算法，設(shè)定以偏差信號(hào)（e）和偏差變化率（ec）2個(gè)變量為輸入量，PID控制器輸出作為系統(tǒng)輸出量的模糊自適應(yīng)PID。具體控制模型如圖5所示，其中模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。

圖5 模糊自適應(yīng)PID控制模型圖

首先確定模糊控制器的輸入、輸出變量，即模糊控制器的維數(shù)。輸入變量取位置控制模式下的位置偏差e和偏差變化率ec，輸出變量為PID參數(shù)Kp、Ki、Kd或 者 是PID參 數(shù) 的 增 量ΔKp、ΔKi、ΔKd。本文選擇前者作為輸出變量[6]。

其次輸出輸入量的模糊化，模糊集合的輸入語言變量選擇為速度的誤差E和誤差變化率Ec，模糊集合輸出語言變量選擇為Kp、Ki、Kd，語言值分別定為“負(fù)大（NB）”“負(fù)中（NM）”“負(fù)?。∟S）”“零（ZO）”“正?。≒S）”“正中（PM）”“正小（PS）”7個(gè)等級(jí)，并且設(shè)定E，Ec的基本論域?yàn)閇-1，+1]，Kp的基本論域?yàn)閇-0.5，+0.5]，Ki的基本論域?yàn)閇-0.01，+0.01]，Kd的基本論域?yàn)閇-1，+1]。通過匹配適當(dāng)?shù)牧炕蜃?，可以將?shí)際的輸入量模糊化處理到E、Ec的論域里。

再次制定參數(shù)模糊化整定規(guī)則，模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)Kp，Ki，Kd這3個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表。根據(jù)Kp，Ki，Kd這3個(gè)參數(shù)分別的作用，可制定模糊控制規(guī)則，以Kp為例如表1所示規(guī)則。Ki，Kd可類似推出。

表1 Kp模糊規(guī)則表

最后，輸出量解模糊，依據(jù)速度模糊控制參數(shù)整定規(guī)則確定出輸出量后，得到的只是一個(gè)模糊集合，在實(shí)際應(yīng)用中，必須用一個(gè)精確量控制被控對(duì)象，在模糊集合中，取一個(gè)最能代表這個(gè)模糊集合的單值過程稱為解模糊裁決。常用的解模糊算法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法等，根據(jù)實(shí)際情況，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊。此時(shí)，模糊控制器輸出可表示為μ=∑μ(ui)·μi∑μ(ui)。最后，根據(jù)Kp、Ki、Kd值是由其初始值Kp0、Ki0、Kd0和模糊控制器輸出的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd相加而得，即：

模糊PID控制程序?qū)懭肟刂乒碳?，流程如圖6所示。

圖6 模糊自適應(yīng)PID控制程序流程圖

6 系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)論

6.1 物料傳輸系統(tǒng)的驗(yàn)證檢測(cè)

6.1.1 流程功能實(shí)現(xiàn)

物料傳輸系統(tǒng)需要完成從入口到出口的物料正向傳輸，從出口到入口的物料反向傳輸，以及在各個(gè)模塊之間的物料交換流程。傳輸過程中，物料信息隨物料一起傳遞，不能丟失。物料信息管理系統(tǒng)和物料運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)屬于設(shè)備兩個(gè)基本組成系統(tǒng)，有交互接口，最終完成準(zhǔn)確無誤的物料傳輸。使用的EtherCAT控制方式可以完整正確實(shí)現(xiàn)上述流程功能。

6.1.2 流程時(shí)間控制

正向上物料和反向下物料時(shí)間根據(jù)不同的系統(tǒng)需求不同，本文驗(yàn)證的上下物料時(shí)間控制在40 s之內(nèi)，交換物料流程控制在8 s之內(nèi)。該系統(tǒng)根據(jù)流程的分解，可以得到任何一個(gè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃，然后通過硬件選型和網(wǎng)絡(luò)同步控制實(shí)現(xiàn)對(duì)流程時(shí)間需求的響應(yīng)。EtnerCAT網(wǎng)絡(luò)通訊方式發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的從終端狀態(tài)變化到上位機(jī)識(shí)別響應(yīng)時(shí)間小于等于10 ms。部分流程需求分解如表2所示。

表2 傳輸物料流程時(shí)間分解表

該系統(tǒng)傳輸物料時(shí)間需求在40 s之內(nèi)。根據(jù)對(duì)該系統(tǒng)流程的分解，可以得到系統(tǒng)對(duì)各個(gè)傳感器響應(yīng)時(shí)間以及每段運(yùn)動(dòng)時(shí)間的需求。使用EtnerCAT網(wǎng)絡(luò)通訊方式可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的從終端狀態(tài)變化到上位機(jī)識(shí)別響應(yīng)時(shí)間小于等于10 ms。部分流程需求分解如表2所示。

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)完成上下物料和交換物料時(shí)間均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求。

6.1.3 出口處精度控制和穩(wěn)定性控制

通過測(cè)試，該系統(tǒng)上物料出口交接位置重復(fù)性指標(biāo)可以達(dá)到：x≤0.8 mm，y≤0.6 mm，Rz≤1.3 mrad。各軸的穩(wěn)定時(shí)間均能夠控制在50 ms之內(nèi)，判定標(biāo)志是位置偏差在行程5%偏差內(nèi)，到位標(biāo)志判斷為50 ms內(nèi)到達(dá)目標(biāo)位置±10 μm偏差范圍內(nèi)即為到位。

7 結(jié)束語

基于EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的物料傳輸控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)性總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)頻率、可靠性和穩(wěn)定性，成功地實(shí)現(xiàn)了物料傳輸系統(tǒng)的功能和性能需求。該物料傳輸系統(tǒng)能滿足目前大部分半導(dǎo)體設(shè)備對(duì)物料傳輸系統(tǒng)的需求。