在多轴伺服控制系统中实现同步精细运动.docx

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1、在多轴伺服控制系统中实现同步精细运动导语：自动化精细制造推动了当今很多高科技设备的开展和广泛使用。时尚精巧的手机仰赖复杂的金属加工工艺和精细外表处理才能来消费机械元件制造所需的芯片和模具。 自动化精细制造推动了当今很多高科技设备的开展和广泛使用。时尚精巧的手机仰赖复杂的金属加工工艺和精细外表处理才能来消费机械元件制造所需的芯片和模具。手机中微小但强大的电子器件的消费，那么要依靠自动化IC晶圆处理和精细线焊设备。大型设备同样需要高精度和高质量外表处理。例如，当代喷气发动机依靠精细平衡和精细匹配的涡轮叶片来实现高燃油效率和安静工作。先进的电子控制和外形复杂的精细发动机部件可优化燃烧经过，进步汽车发

2、动机的燃油效率。 铣床沿预定途径挪动高速旋转的切割工具，对固体金属块进展切削，进而消费金属制品部件。精细加工是一个多步骤经过，先是粗略切削，然后经太多道精细切削才能到达要求。多个电机驱动进给主轴和多个丝杠来定位工具头。电机位置与速度伺服驱动器的功率和刚度决定了支持特定外表处理精度程度的最大切削速率。因此，高性能电机驱动器可进步切削速率或者减少切削次数，进而直接影响到铣削经过效率。每次操纵都选择最正确运动方案，以及尽量缩短刀具更换时间，同样可以进步消费率和能效。消费质量取决于丝杠的精度和电机驱动轴位置与速度控制。最新铣床有五个或者更多的控制轴，支持以最少的工件设置操纵次数加工出复杂的外形。大批量

3、消费线所用的专用加工中心甚至包括更多的伺服驱动器，支持多个金属加工并行操纵和类机器人功能，使加工经过实现完全自动化。机器设计人员面临的挑战是怎样让多个伺服驱动轴的操纵和运动方案同步，进而在维持产品质量不变的同时，使机器吞吐效率最大化。 精细运动控制 控制当代工厂所用自动化机器的各种元件如图1所示。中央数字控制器(CNC)或者可编程逻辑控制器(PLC)治理机器操纵，并且为机器中每个伺服电机轴产生运动轨迹规划。每个伺服驱动器包括多个控制环路来治理机械系统动态特性、电磁扭矩产生和电路动态特性。各控制元件的性能对机器吞吐效率和外表处理质量至关重要。计算机辅助制造(CAM)工具根据产品图纸、材料特性、机

4、器和刀具才能，产生成品所需的机加工操纵组合运动方案。然后，由自动化机器执行这些方案来制造产品。 图1.自动化机器控制系统 完好的机器控制功能包括多个级联控制环路。考虑丝杠(用于将旋转转变为线性运动)提供的传动装置，CNC将机器空间(x、y和z)运动配置转换为每个电机轴的(或者)运动配置。每种运动配置由时间中的位置或者速度集合来定义。轴间的时序同步非常重要，由于时序误差对一个轴的影响与位置和速度误差一样。 伺服驱动速度环路的功能是计算跟随目的速度曲线所需的电机扭矩指令(T*)。成品的精度和外表质量取决于机器能否准确地引导切削工具沿目的途径挪动。机加工操纵的挑战在于金属切削经过是非连续的，由于材料

5、以碎片形式脱落，因此，伺服驱动负载也会迅速变化。速度环路必须可以在切削操纵中维持恒定的速度而不受负载变化的影响，并且在刀具更换操纵中可以迅速响应速度指令。低速时的控制质量高度取决于位置反应的分辨率，由于需要高采样速率微分器来产生高动态速度信号。 机床驱动所用的精细编码器采用快速模数转换器在编码器计数之间插值，以提供更高的分辨率。例如，一个4096线编码器采用简单的数字接口时，可提供14位/转的位置分辨率，而采用插值方法时，其分辨率至少可扩展至22位/转。位置分辨率进步到22位之后，在4位速度分辨率和1RPM的条件下，采样速率可达4kHz，而之前在4位速度分辨率和60RPM的条件下，采样速率只有

6、1kHz。 在永磁沟通伺服电机中，为了高效率、高动态地产生扭矩，要求正弦定子电流与转子磁体角位置对齐，如图2所示。电流和磁场对齐控制确保电机扭矩知足速度环路的动态要求。PWM和逆变器反应隔离模块包括在电路控制功能中。三相功率逆变器将所需的电压施加于电机绕组以驱动目的绕组电流。电流反应功能将绕组电流测量与高压逆变器隔离，并向磁场对齐模块提供反应信号。电流反应的精度决定扭矩产生的质量，由于反应中的增益、失调或者非线性误差会产生纹波扭矩，进而表现为对速度控制器的负载干扰。在某些精细伺服驱动中，有一个附加环路也会补偿定子绕组线槽与转子磁铁互相作用所引起的伺服电机内部扭矩纹波。所有这些都能改善电机的低速

7、性能，最终增强成品的精度和外表质量。 驱动架构 如上所述，驱动系统性能由多个方面决定，例如控制架构、电机设计、功率电路、反应传感器和控制处理器。面对日益进步的驱动性能、灵敏性和本钱要求，以及模拟和数字电子控制元件的进步，控制架构在不断开展。基于模拟电路的传统伺服控制已被使用嵌入式处理器的数字控制所取代。另外，CNC的速度指令信号原先是精细模拟信号，现已变为数据包通过实时(RT)工业网络发送。因此，除了控制和功率电路以外，当代伺服驱动系统还包括通讯接口。 驱动系统永远存在的电路设计挑战是怎样将高压功率电路与用户连接的控制和通讯电路平安地隔离。有一个常见架构可降低逆变器信号隔离困难，即功率电路与控

8、制处理器接地直连，控制处理器与通讯接口之间使用隔离栅。伺服驱动应用更常见的架构选择是将平安隔离栅放在功率级与控制处理器之间，而控制处理器与通讯接口直连。还有一种不那么常见的架构，即把平安隔离栅分散在功率、控制和通讯之间。这会降低每个隔离栅的隔离标准要求，而且可以缩小系统的整体尺寸。 图3显示了一个隔离控制架构实例，其中逆变器栅极驱动、电压反应和电机电流反应信号与控制处理器相隔离，但直连位置反应传感器、用户和通讯接口。这种架构不仅为控制电路提供平安隔离，还能抑制高压开关电源逆变器所产生的电路噪声。电机电流反应由绕组分流器和隔离式-调制器产生，这些调制器提供增益匹配、非常低的失调和非常高的线性度。

9、完好的电流反应信号途径还包括控制处理器，其上的可编程sinc3滤波器还具有输出短路检测功能。模拟信号隔离器提供逆变器总线电压隔离，此信号由嵌入式采样ADC获得。控制处理器上的正交编码器外设(QEP)支持简单的数字编码器接口，但带插值电路的更高分辨率编码器通常使用高速串行接口，以便按需发送位置和速度信息。 图2两相永磁沟通电机磁场对齐 图3.采用隔离式控制架构的双轴电机控制系统，使用ADSP-CM408混合信号ASP和AD7403隔离式调制器 上例中的实时(RT)以太网接口由一个FPGA电路提供，以便可以灵敏地支持自动化市场上的多种工业网络协议。FPGA治理来自网络的实时数据包，而控制处理器那么

10、具备带宽和存储器来支持协议栈的治理。很多此类协议支持抖动要求小于1s的同步实时控制，这会给通讯接口带来非常重的处理负担。如前所述，这种对伺服驱动同步的要求，与伺服驱动性能一样重要。在当代自动化机加工系统中，为了实现高消费率和高质量成品，以上二者不可或者缺。自动化系统的一个新兴趋势是利用单个处理器控制两到三个伺服电机并依靠单个实时通讯接口。如今，高速专用信号处理器(ASSP)便支持这种趋势，例如ADPS-CM408，其包括一个高速浮点内核和多组电机控制与通讯外设。 工业电机驱动应用展现出来的多种多样的架构，突出讲明了很多重要的电机驱动系统设计挑战仍然存在这一事实。随着可用控制处理和传感器反应信号带宽的增加，自动化行业对更高精度和动态响应的需求不断进步。新材料、传感器、控制、通讯电路架构，甚至更多的算法和软件，很可能会继续知足自动化消费行业对更高消费率和更高质量的需求。