Re: [心得] PLC 過往工作及最近面試

[wisdom ()]

既然有人願意討論，良性的討論是值得深入的

不過我想先講個前提，伺服系統各家有各家的演算法則

雖然萬法不離其宗，最終仍是回到PID的演算。但PID演算的細節各家有各家的玩法

不光是每個廠商自己的PID演算會有差異，同一家產品不同系列就不盡相同

而開放調整的參數更是影響到使用者能調整的範圍跟程度。

所以雖然原則不變，但細節差異甚大

※ 引述《snaken (snaken)》之銘言：
: 標題: Re: [心得] PLC 過往工作及最近面試
: 時間: Sat Oct 21 01:31:30 2017
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: 難得有人想要討論這一個問題，這邊也來分享一下小弟的看法。
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: 其實在伺服控制裡面，控制脈波與編碼器回授脈波兩者是有關係的
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: 在位置環控制中的第一件事就是
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:         (控制脈波) x (某個倍率) - (編碼器回授) = deltaP
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: dP 之後才開始處理位置增益之後的速度環、電流環
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: 這個不知所以然的 (某個倍率)被某個偉大的前輩構思出了 "電子齒輪比" 這個概念
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: 這東西的目標，其實就是希望使用者把這個值後面的東西都當作一個黑盒子

如果我沒有理解錯

大大的意思是

控制命令(setpoint)- 迴授位置(feedback pos) = 位置誤差(position error)

這是位置控制迴路(position control loop) 的第一步

有了位置誤差以後(P.E.，對應大大文中的DP)，就可以丟入PID演算去做後面那段"黑盒子"


如果這個說法符合的話，我就不同意"某個倍率"這件事了

因為這裡的"某個倍率"其實指的就是電子齒輪比

並不是先有位置迴路的"某個倍率"，才有電子齒輪比

而是先創造出了"電子齒輪比"，才有了"某個倍率"這件事

位置迴路的開頭，就是把目標位置-實際位置 ，得到位置誤差，

以位置誤差作為PID演算的基本參數

而因為引入了電子齒輪比這個參數

才會造成命令位置必須是"脈波命令"x"某個倍率"

這個"某個倍率"就是電子齒輪比

大大的說法是倒果為因了

更仔細的解釋的話

命令位置 = 脈波命令 x 電子齒輪比

在最原始的控制時，如果沒有電子齒輪比

那麼命令位置就等於脈波命令，

所以命令位置 = 脈波命令 = 編碼器回授

是因為導入了電子齒輪比，才使得命令位置與脈波命令之間多了一個倍率關係

而這個倍率就是電子齒輪比。

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: 畢竟大家是用伺服的人，不是開發伺服的人，把自己的人生搞那麼複雜做甚麼呢？
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: 以現狀來說，我們通常就是跟客戶講說:
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:         阿你就看馬達轉一圈，載台走多少填進去就對了
:         (對不起我們就是那種亂教的人....)
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: 然後默默的三菱還真的設計了參數只要填螺距一個參數即可....
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: 我也不是沒有遇過真的有興趣想學想了解的客戶，反正講清楚一點也不花多少時間
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: 但大家身在這個行業應該也了解，不是每個人都這麼有慧根
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這是事實，不過我一直認為，造成了使用者不求甚解的原因，設備製造商也是共業

長久以來，伺服製造商把"黑盒子"包得死死得不讓使用者一窺究竟

使用者就被教育成不必去理解內部演算在做什麼的觀念，反正會使用就好

說得更明白一點，對，就是你，日系的設備商。

相對的如果看歐系的伺服系統，說明書裡大多都把整個控制迴路都解釋得很清楚

包含每個參數的控制模型跟演算法，說明書裡大多解釋得很清楚

但臺灣因為受到日本設備長時間的影響(加上閱讀英文的障礙)

所以就算有說明書，願意看的人也是蓼蓼無幾...

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: 順便附帶說明，編碼器解析度拉高，其實對於位置控制的精確度提升是非常有限的
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: 講白點，你要控制一組滑台系統走出1um，最大重點之一是機構要夠力
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: 難道真的有人為以為買了一隻20bit (1,048,576)的馬達，配上1mm的螺桿
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: 可以做出1nm的控制?

這裡我可以理解。其實更深入來說，編碼器解析度跟精度是兩件事

編碼器本身也有精度，而精度並不等於解析度

用旋轉編碼器解釋太麻煩，直接用光學尺來說明

光學尺解析度譬如是1um好了，精度不會是1um。解析只是解析，

它從來沒跟你說每一個脈波不會有誤差，這一次你讀到十個脈波，跟下一次讀到十個脈波

實際位置並不見得是一樣的


不過解析度跟精度之間的關係，比較像是天花板的關係

沒有解析度就沒有精度 (但有解析度不代表有精度)

一個解析度1um的編碼器，"控制精度"理論上的極限就是+- 1um

意思是你能看到在Inpos後，編碼器永遠只正負跳一個脈波，這是控制的極限

但完全不代表最終精度就會有1um，這跟編碼器本身的精度、還有機構有相關

而機構永遠才是限制一套系統能達到多少精度的最根本原因

控制精度早就遠遠遠遠超過人類能製造出的機構精度條件了

控制精度要壓在0.1um以下，以目前的技術來說根本一塊蛋糕

但是機構要能達到這個條件... 很拼啊

或是換句話說，你給我一套解析度到0.1um的編碼器+馬達

我可以很輕易的控制馬達往前走0.1um，並用編碼器的回授訊號證明給你看

但實際上機構有沒有動?動了多少? 這我就無能為力了



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: 編碼器的解析度提升，主要的功能在於速度環頻寬的拉高。
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: 用白話點來說就是這個馬達加速更有力，更有貼背感(!?)
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: 目標速度再快都可以追得上!
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雖然不能說你錯，但實際上還真的不是這樣

編碼器解析度增加，的確跟控制迴路的頻寬有關，

但限制控制頻寬的一直都不是編碼器解析度，而是伺服系統本身的性能限制

還有機構條件 (一樣的，機構才是真正的原因)

一套由0.5kw伺服構成的小型系統，頻寬(band width)能拉到300Hz已經是驚為天人了

你怎麼會認為是編碼器解析度造成系統頻寬拉不上去的?

而頻寬影響的也不是加速

影響馬達加速能力的是馬達轉矩/推力

F = MA，牛頓第二運動定律不要忘了(轉動系統的話，角加速度 = 轉動慣量 x 轉矩)

頻寬影響的是系統的響應性，反應在結果上，影響的是追隨性跟精度表現


編碼器解析度的提升，首要目標還是要提高精度表現

雖然前面說，高解析度不等於高精度，但低解析度保證等於低精度
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: 位置控制的精度要拉高，其實到位區間(Inpos)的影響遠遠大於其他任何參數
其實我不懂這句意思，可以更仔細解釋嗎?

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: 而雜訊影響又遠遠大於一切
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: 這時通訊型的好處就出來了，通訊基本上可以當作是一個完全沒有雜訊的東西
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: 但在初期(大約十來年前)，RT通訊不像現在暴力，所以通訊型的伺服反而比較慢
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: 因為那個年代的通訊時間可能只有10ms才給一次封包
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: 對於需要高速變換動作的機台而言，這個東西顯得不是很夠力
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: 其實一直到這幾年，比較精確地講應該是 Mechalink2 / SSCnet / EtherCAT之後
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: 大家把通訊時間一鼓作氣縮到1ms以下，通訊型才在高階伺服站穩腳步
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: 不然以前高階都還是DSP 軸卡做全閉迴路控制的天下。
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我不懂雜訊跟通訊型之間的關係在哪?只要是數位式，理論上抗雜訊能力就可以控制得很好

而傳統的脈波，其實本身就是數位訊號，差別只在掉脈波的話沒人知道

通訊型保證不會掉資料就是了(會有糾錯機制)

要說雜訊影響的話，指的應該是更早期的類比伺服，這種伺服的迴授是類比式

編碼器(是不是能叫做編碼器我也不確定)本身是一顆發電機

馬達旋轉產生電壓迴授，其迴授的物理意義是速度值(轉速跟電壓有比例關系)

這種迴授很容易受到干擾影響。不知道多久以前就已經不使用了
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: 科技進步本來就是要減少腦力消耗，這些控制元件以後一定也會越來越無腦好用
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: 電控人的精力就可以專注在其他更有價值的事情上！
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: ※ 引述《wisdom ()》之銘言：
: : : 推 syatoyan: 誠心發問 為什麼電子齒輪比害人不淺?                    10/09 05:46
: : : → syatoyan: 靠調整電子齒輪比 可以藉由較高的回授脈波數 得到更精準  10/09 05:47
: : : → syatoyan: 的誤差 不是可以做更精準的誤差修正嗎?                  10/09 05:48
: : : → syatoyan: 還是說 那樣得到的誤差值其實是假的 實際誤差還是以      10/09 05:49
: : : → syatoyan: 編碼器的規格為基準?                                   10/09 05:50
: : : → syatoyan: 可是使用者卻認為有電子齒輪比 所以我只要以最低階的     10/09 05:51
: : : → syatoyan: 所以造成 只要使用最低階的編碼器 + 電子齒輪比設定      10/09 05:54
: : : → syatoyan: 也可以做到誤差0.1mm的精準控制 這種錯覺?               10/09 05:54
: : : → syatoyan: 弱弱的推測是不是這樣的現象 所以電子齒輪比不好?        10/09 05:55
: : 你的觀念有誤，這是我說電子齒輪比害人不淺的原因之一
: : 電子齒輪比的存在原因
: : 是因為編碼器解析度越來越高，使用者需求的馬達轉速增加
: : 但脈波發送/接收模組的反應速度跟不上造成的
: : 我們舉個例子，為求容易理解 & 計算方便，我用非真實數據來解釋
: : 假設編碼器解析度是 360 inc/rev，意即馬達每轉一度，編碼器可以輸出一個訊號
: : (這裡我不用"脈波"，是因為很多人又會被編碼器脈波跟控制脈波搞混)
: : 換句話說，編碼器的解析度是 1度，那麼這個伺服系統能達到的理論控制精度也就是1度
: : 理論控制精度有兩個函義
: : 1. 你能控制馬達往前/後轉1度。
: : 2. 定位精度極限理論上是 +- 1度
: : 接下來，我們要把脈波控制跟編碼器"脈波"混在一起講了
: : 理論上，以pulse chain作為控制命令，一個控制脈波 = 一個編碼器脈波
: : 也就是說，驅動器接收到一個脈波，會控制馬達轉一個編碼器單位
: : 以這裡的例子，就是轉1度。
: : 請注意，在這裡的例子裡，你是無法控制馬達轉0.5度或任何小於1度的角度
: : 假設你希望馬達每秒轉10圈(10rps = 600rpm)
: : 意即你要控制脈波輸出10 x 360 = 3600 Hz
: : 再假設，你使用的脈波輸出模組，最高的輸出頻率只有2k Hz(先別管哪來這麼爛的模組)
: : 換句話說，在這套系統裡，你無法得到你要的目標轉速
: : 於是聰明的製造商，就引入了電子齒輪比這個參數
: : 電子齒輪比讓控制脈波  = 編碼器脈波 x 電子齒輪比
: : 換句話說，如果電子齒輪比設成 2
: : 一個控制脈波，驅動器會讓馬達轉 2度
: : 這樣的話，只要1800Hz的脈波頻率，就能讓馬達達到600rpm的轉速
: : 不改變任何硬體條件的前提下，立刻解決這個問題。
: : 請留意，這才是電子齒輪比最初設計出來的初衷，
: : 只是為了解決脈波產生/接收模組的反應速度不夠快的問題而已。
: : 而使用電子齒輪比會造成一個根本問題，就是你的控制精度直接下降
: : 以上面的例子，你最小只能控制馬達一次轉2度，控制精度會下降
: : 意即你只能控制馬達走0、2、4..... 這些角度，命令無法給1、3、5.....這些度數
: : (當然定位精度不會改變，一樣是 +- 1度。)
: : 所以現在所有電子齒輪比的延伸應用
: : 包含用來將減速比、螺桿導程計算後導入電子齒輪比
: : 讓PLC的控制單位 = 機構單位，這種作法看似讓應用變得方便了
: : 實際上並不是正確的使用。
: : 而業界不僅是大教特教這種用法，還出書教你怎麼算
: : 幾乎工控人都把這套方法當成聖經不容挑戰了....
: : 當然很多人會說，編碼器解析度這麼高，換算到螺桿精度後，
: : 一個編碼器解析度可能是1nm，我只需要1um的控制就好，
: : 何必管設定電子齒輪比後造成的控制精度下降? 不影響使用啊
: : 這我同意，這也是電子齒輪比在應用上，這麼多年來也沒有人有意見的原因。
: : 不過我說的害人不淺，不完全是應用上不合理，其實稍微不那麼低階的驅動器
: : 都可以讓你設定減速比跟螺桿導程，驅動器內部會自動幫你換算
: : 但因為根深蒂固長久以來的使用習慣，太多人已經寧願就他原本那套電子齒輪比
: : 算好丟一個參數進去就好，也不願意去使用正確的參數設定。此其一
: : 再者是，控制脈波跟編碼器回授脈波，本質上兩者是沒有關係的
: : 只是在控制上，一開始為求最大控制精度
: : 自然會讓控制脈波跟回授脈波 = 1:1
: : 電子齒輪比的引入，造成為數不少的工控人對這兩者產生誤解
: : 錯誤觀念一久，就很難改了。
: : 很多人真的以為，控制命令(脈波)，跟編碼器回授(脈波)，兩者一定要有一個比例關係
: : 當使用到比較進階的系統時，反而一直糾結在控制命令的問題上
: : 結論
: : 1. 電子齒輪比的使用會導致控制精度下降
: : 2. 沒搞懂電子齒輪比的使用者一大票
: : 3. 搞懂但被電子齒輪比這個觀念限制住的使用者又是一大票
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: 推 GOFEN: U文                                                      10/21 01:36
: 推 b2481: 推,好文!!                                                10/21 02:05
: → b2481: 但是為什麼解析度提高 能提高速度迴路頻寬? 有點難理解      10/21 02:06
: 推 duser: 受益良多，希望這系列文章能繼續討論下去                   10/21 02:14
: 推 nfs258147: 解析度提高>代表更能掌握物體真實的狀態                10/21 07:59
: 推 nfs258147: 假設有一個編碼器，它每圈只能輸出一個pulse、代表它只  10/21 08:07
: → nfs258147: 有偵測一圈以上的能力。如果馬達以正負30度高速來回運   10/21 08:07
: → nfs258147: 轉，則這顆編碼器完全不知道發生什麼事。接著再想看看   10/21 08:07
: → nfs258147: ，如果換一顆解析度更高的編碼器會怎樣？               10/21 08:07
: → nfs258147: 不知道這樣講對不對                                   10/21 08:08
: 推 nfs258147: 當你越清楚一個人，你越會知道他會怎麼跑XD             10/21 08:10
: 推 nfs258147: 但我也很推Snaken的觀念。在這個時代要學的事太多，必   10/21 08:14
: → nfs258147: 須站在巨人的肩膀上才能思考更多重要的事。電子齒輪比   10/21 08:14
: → nfs258147: 也許會讓控制精度會下降，但依據80/20法則，它可以滿    10/21 08:14
: → nfs258147: 足80%沒那麼要求的場合了。                            10/21 08:14
: 推 nfs258147: 以前我都會糾正客戶。但後來發現，讓他們能會去運用比   10/21 08:17
: → nfs258147: 較重要（即使是有一點錯誤的觀念），因為他們真的不在   10/21 08:17
: → nfs258147: 意事情的正確性；而且糾正客戶，常常不會有好下場。     10/21 08:17
: 推 sony0955: 希望可以有更多討論 謝！                               10/21 09:23
: → snaken: 非常同意nfs的看法                                       10/21 09:31
: → snaken: 順便更正一下，現在的伺服，其實編碼器不回傳脈波          10/21 10:01
: → snaken: 驅動器事實上也是透過通訊讀取encoder的值                 10/21 10:02
: → snaken: 所以driver上面的"編碼器ABZ輸出"                         10/21 10:02
: → snaken: 事實上也是"電子齒輪比" 處理過的結果喔 :)                10/21 10:03

並不完全是這樣的

現在的編碼器的確有純通訊型的，但其實多但是在比較中低階的系統上使用

因為純通訊的取樣週期還是很長，不像純脈波訊號，取樣頻率可以拉到很高

而中高階的系統，其實會搭配通訊跟脈波回授

在絕對式編碼系統上，會使用通訊來回傳絕對位置，但丟ABZ訊號來讀取精確位置

這樣做可以兼顧絕對位置 & 高解析度需求

但在增量式系統上，通訊其實反而是雞肋，主流還是純ABZ丟脈波回授

這可以看目前的光學尺，增量式訊號都還在ABZ(或Sin/Cos)可見一斑

: → Kayusumi: 解析度拉高 低轉速控的比較穩                           10/21 13:51
以目前的編碼器解析度來說，低速控制不穩真的跟解析度無關

單純驅動器的控制能力問題而已

: 推 nfs258147: Snaken大，謝謝分享！以前都只是會用而已，沒想到背後   10/21 13:55
: → nfs258147: 有這些故事                                           10/21 13:55

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推 vul3so4: 推分享
推 Simonfenix: 感謝分享
推 wang1234: 推一個  很多東西都已經還給指導教授了  這幾篇又讓我開
→ wang1234: 始回憶思考了
推 ts02998549: 推～謝謝分享
推 b2481: 到位區間(Inpos)是指實際位置在目標位置的某個範圍內,即視
→ b2481: 維到達目標位置,那段應該是指說到位區間越窄,控制精度越高?
→ b2481: 到位區間變窄,的確可提高馬達精度,但不確定是不是主要因素
→ wisdom: 我理解一下，意思是position window越小(這其實是一個參
→ wisdom: 數設定，用來規範伺服送出到位訊號的時機)，定位精度越高
→ wisdom: 。   我只能說這又倒果為因了，實際上一套伺服能達到的整
→ wisdom: 定精度。，在系統設置好之後就已經決定了。如果本身的整定
→ wisdom: 精度只有1um，你把position window設到0.1，整定精度也不
→ wisdom: 會變0.1，只是會永遠送不出到位訊號而已。所以不存在inpos
→ wisdom: 設定影響整定精度的理由。你頂多說，如果把到位區間放很大
→ wisdom: ，系統可以很早送出到位訊號而已。
推 tyc5116: 本篇正解,不過電子齒輪比歸電子齒輪比,那個所謂的"某個倍
→ tyc5116: 率",容易聯想到速度迴路的kp
推 b2481: 理解w大的意思，感覺精度這個詞詞涵蓋意義太廣，所以有些誤
→ b2481: 解，到位區間比較類似容許誤差