【技术大神】基于SMAC LCC致动器的力的应用

SMAC提供一系列的单轴和多轴致动器。所有的致动器皆可以编程来控制力量、加速度、定位以及速度，又具有独特的软着陆功能、平均故障间隔时间长、分辨率高等特点，现已成为许多产业的最佳选择。本文主要介绍了SMAC致动器基于LCC的力的应用情况。

LCC对力和电流的限制

设置完成的配置文件限制了电流值的上限，并且决定了电流值的表示形式。其中，最重要的设置就是电机的额定电流，单位为mA，其他所有关于电流和力参数都与额定电流有关。电机的额定电流是指电机或者致动器外壳不是很热的情况下，可运行很长时间的电流（周围温度为25℃，不封闭）。最大力数值是按照电机的额定电流的千分之一得到的。换言之，如果最大力为3000，则最大电流为电机额定电流的3倍。最大电流同样是由电机额定电流的千分之一得到的，比如，如果最大电流为3000，则最大电流是额定电流的3倍。

在配置文件中，最大力和最大电流具有相同的值。在一个程序中，可以先将最大电流数值设置的较小，随后最大力框中数值复制到最大电流框中，恢复最大电流框中的数值。正向力限制和反向力限制表示对电流或者力的的上限有所限制，两种限制不要求零对称。如果致动器是垂直安装的，移动质量会产生向下力，此种情况正负力限制就显得非常有用。如果想让移动质量缓慢下降，此时正负力限制将发挥作用。在这种情况下，力补偿将有助于改善位置控制。

例如：配置文件下载到致动器中，优化选项卡中的参数如下图所示。

根据上图可知，电机的最大电流是479mA*4.833=2315mA=2.3A，致动器不允许超过2.3A的电流存在。即便控制环要求电流超过2.3A，实际最大电流也是2.3A。请注意将限制值设置的过小会限制通过致动器的电流大小。

通过LCC的电流值计算致动器的力

为了计算致动器的实际产生的力，下面参数一定要知道；

1.电机的额定电流[mA]

2.可测量的实际电流或者实际力[额定电流的千分数]

3.致动器的力常数[N/A]

4.摩擦力和移动质量的重力

第一步需要将测量的实际电流或者实际力乘以电机的额定电流，然后在乘以力常数从而得到致动器产生的力。如果力测量时，速度是恒定的，则部分力可能被用作克服摩擦力。同样地，移动质量的重力也会影响实际力的数值。请注意，实际电流或实际力具有同一值。但如果采样时候有轻微不同，它们的数值可能也会有所不同。

例如：电机额定电流可以在优化选项卡中寻找。

实际电流或实际力可在在运行程序选项卡中进行测量

在电机的技术规范中，可以确定电机的力常数。针对此例，取力常数为30N/A，而摩擦力取1N,致动器的移动质量重力约为5N，假设致动器的轴联接一个物体一起向下移动可以得出：

（1）实际电流=电机额定电流*实际力=479*1.016=487mA；

（2）致动器产生的力=实际电流*力常数=0.487*30=14.6N。

因为移动质量的重力与运动方向一致，而摩擦力与运动方向相反，所以最终作用物体上的力=14.6+5-1=18.6N。

力的精度

计算出来的力会有一定的偏差，而此偏差主要由下面几个因素决定的。

1.摩擦噪声

摩擦力并不是时时处处都是一样的，对于SMAC执行机构使用的大多数直线导轨，摩擦力一般在0-1N范围内变化，此变化只在运动过程中才影响力的精度,可以利用致动器的往复运动来确定其摩擦力。

图1 在程序段中设置往复运动来确定摩擦力

图2运行程序选项卡中实际位置和实际力随时间变化的曲线图

如果想将实际位置和实际力保存为.csv文件，可以将实际位置和实际力两个变量表示为xy轴曲线，如下图所示。

图3位置与力的关系图

上图中，最上面的蓝色的线表示向前运动所需要的力与实际位置的关系，最下面蓝色的线表示返回运动所需力与实际位置的关系。中间的拟合线（图中细黑色的直线，函数为y=0.005*x-13.513）是假设摩擦力为零时所需力曲线。蓝色的线和中间拟合的线的距离就是表示摩擦力。

在此案例中，两条曲线的平均距离为额定电流的35‰，标准偏差为额定电流的9‰，电机的额定电流为408mA，力常数为8N/A，所以平均摩擦力为35/1000*408*8mN=114mN=0.114N。标准偏差为9/1000*408**8mN=30mN=0.03N。从图中可以看出，力相对于位置有一个很小的角度，这是由于柔性电缆半径较小影响了致动器的刚度。案例中的装置是一个分辨率为0.1微米编码器的交叉辊子的演示装置。如果装置处于静止状态，力的曲线就是图中的拟合曲线（摩擦力几乎对静态力没有影响）。

2.力常数精度

力常数在不同位置会有略微的差别，对于单极型致动器而言，在整个行程中，差别一般不会超过5%。在行程的起始和结束时，力的值会略微低一些。对于位置唯一的行程，力常数则不变。而对于多级型致动器力常数变化较大，对于LCA-50致动器可达2N，对于LCA-25致动器可达1.5N。对于多级型致动器，此种状况叫做力波动,在固件2.X版本中，力波动已经最小化。

3.移动质量的精度

通过称重的方法可以准确地知道移动质量的大小，当致动器已经安装了，直接称重的方法不太可能。此时，最好的称重方法就是保持致动器的移动部分垂直于一个标尺，随后匀速地上下运动。这时从标尺上可以得到两个不同的读值。两个读值的差值是摩擦力的两倍。两个读值的平均值就是移动质量。

4.测量精度

对于标准的LCC控制器，电流感应系统是有固定的分辨率的，单极型致动器是2mA,多级型致动器是10mA.如果单极型致动器力常数为30N/A，此时会有0.002*30=0.06N的偏差。如果是多级型致动器而言，此时会有0.01*30=0.3N的偏差。

在固定位置对力进行校准，除了测量精度，其他所有的偏差都可以消除。当运动经过校准位置时，摩擦力噪声仍然需要被考虑进来。

致动器的最大力

理论最大力可以通过最大电流乘以力常数计算出来，另一种方法通过外加电压除以线圈电阻乘以力常数。两种方法都会得到最优的理论数值。

对于理论最大力的计算有一些限制条件。

（1）控制的驱动能力有一定的折扣，此折扣可能由于功率桥的阈值电压或者启动脉宽调制所必须的死区时间。这些影响会导致致动器的驱动电压会损失一些。对于LCC控制器，24V供电时，会损失2-3V，当48V供电时，会损失4-5V。

（2）线圈的周围温度决定其电阻值。如果温度升高，线圈的电阻值也会增大。如果线圈温度升高40度，其电阻值可以增加16%。（增加的电阻值=0.4%乘以升高的温度值）

（3）由于温度的升高，导致磁力的减小。如果磁性壳体的温度升高20度，那么磁感应强度将会下降2%（减小的磁感应强度B=0.1%乘以升高的温度）

考虑到上述的因素，用理论方法计算最大力的时候，得出的理论值应该减小27%才是比较合适的结果。

技术顾问：程增木

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