編碼器怎樣在多軸伺服控制系統(tǒng)中實現(xiàn)同步精密運動？

自動化制造推動了目前許多高科技儀器的發(fā)展和廣泛使用。 時尚美觀的手機依賴于復(fù)雜的金屬加工技術(shù)和精細的表面處理能力，生產(chǎn)制造機械零件所需的芯片和模具。 手機中小型強力電子器件的生產(chǎn)依賴于自動化IC晶片處理和精密引線接合設(shè)備。 大型設(shè)備同樣需要高精度和高質(zhì)量的表面處理。 例如，現(xiàn)代噴氣發(fā)動機依賴于精密匹配精細平衡的渦輪葉片，實現(xiàn)了高油耗和安靜的工作。 先進的電控和復(fù)雜形狀的精密發(fā)動機部件可以優(yōu)化燃燒過程，提高汽車發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

銑床沿著規(guī)定的路徑移動高速旋轉(zhuǎn)的切割工具，切削固體金屬塊生產(chǎn)金屬制品零件。 精密加工是一個多階段的過程，可以先進行粗糙的切削，然后經(jīng)過多次細致的切削來滿足要求。 多個電機驅(qū)動進給主軸和多個螺釘定位刀具頭。 電機的位置和速度伺服驅(qū)動器的功率和剛性決定了支持特定表面處理精度水平的zui大切削速度。 因此，高性能的電機驅(qū)動器可以提高切削速度，減少切削次數(shù)，直接影響銑削工藝的效率。 通過為每個操作選擇zui佳的運動方案，并將更換刀具的時間降至zui低，可以提高工作效率和能源效率。 生產(chǎn)質(zhì)量取決于絲杠的精度、電機驅(qū)動軸的位置和速度控制。 zui新的銑床有5個以上的控制軸，能夠以zui小的工件設(shè)定操作次數(shù)加工復(fù)雜的形狀。 用于大批量生產(chǎn)線的專用加工中心包括更多的伺服驅(qū)動器，支持多種金屬加工的并聯(lián)操作和類機器人功能，完全自動化加工過程。 機械設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是使多個伺服驅(qū)動軸的操作和運動方案同步，在保持產(chǎn)品質(zhì)量不變的同時，使機械的吞吐量效率zui大化。

精密運動控制

控制現(xiàn)代工廠中使用的自動化設(shè)備的各種設(shè)備如圖1所示。 中央數(shù)字控制器(CNC  )或可編程邏輯控制器(PLC  )管理機械的操作，并按機械內(nèi)的伺服電機軸生成運動軌跡計劃。 各伺服驅(qū)動器包括用于管理機械系統(tǒng)的動態(tài)特性、電磁轉(zhuǎn)矩生成、電路的動態(tài)特性的多個控制環(huán)路。 各控制設(shè)備的性能對機械的吞吐量效率和表面處理質(zhì)量很重要。 計算機輔助制造(CAM  )工具根據(jù)產(chǎn)品圖紙、材料特性、機械和刀具能力，生成產(chǎn)品所需的機械加工操作組合運動方案。 然后，自動化機器執(zhí)行這些方案來制造產(chǎn)品。

圖1 .自動化設(shè)備控制系統(tǒng)

如何實現(xiàn)同步

如何在多軸伺服控制系統(tǒng)中實現(xiàn)同步精密運動？ 完整的機械控制功能包括多個級聯(lián)控制環(huán)路。 CNC考慮將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直線運動的螺紋機構(gòu)，將機械空間(x、y、z  )的運動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為各電動機軸的(或)運動結(jié)構(gòu)。 每個運動配置都由時間內(nèi)的位置或速度集合定義。 軸之間的定時同步非常重要，因為定時誤差對一個軸的影響與位置和速度誤差相同。伺服驅(qū)動速度環(huán)的功能是計算追隨目標速度曲線所需的電機轉(zhuǎn)矩指令(T* )。 精加工的精度和表面質(zhì)量取決于機器能否準確地沿著目標路徑移動切削刀具。 機械加工的難題是金屬切削工藝不連續(xù)。 由于材料會作為碎片脫落，伺服驅(qū)動負荷也會迅速變化。 速度環(huán)須不受負荷變動的影響，在切削操作中維持一定的速度，在刀具更換操作中能夠迅速響應(yīng)速度指令。 低速時控制質(zhì)量的高低取決于位置反饋的分辨率。 由于需要高采樣率微分器，因此會生成高動態(tài)速度信號。 用于機床驅(qū)動的精密編碼器使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在編碼器計數(shù)之間進行插值，提供更高的分辨率。 例如，4096行編碼器采用簡單的數(shù)字接口時，將提供14/轉(zhuǎn)的位置分辨率。 采用插補方式時，其分辨率至少22位/旋轉(zhuǎn)位置分辨率提高到22位后，在4位速度分辨率和1 RPM的條件下可以達到4 kHz。 以前在4位速度分辨率和60 RPM的條件下，采樣率只有1 kHz。

圖2 .兩相永磁交流電機的磁場對準

對于永磁交流伺服電機，為了高動態(tài)地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，要求如圖2所示，正弦定子電流與轉(zhuǎn)子磁鐵角位置一致。 電流和磁場的對位控制，使電機轉(zhuǎn)矩滿足速度環(huán)的動態(tài)要求。 PWM和逆變器反饋隔離模塊包含在電路控制功能中。 三相電力變換器向電動機繞組施加必要的電壓，驅(qū)動目標繞組電流。 電流反饋功能將繞組電流測量和高壓逆變器隔離，向磁場定向模塊提供反饋信號。 電流反饋的精度決定了轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的質(zhì)量。 由于反饋中的增益、失調(diào)或非線性誤差，會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，表現(xiàn)為對速度控制器的負載干擾。 在部分精密伺服驅(qū)動中，還存在補償定子線圈槽和轉(zhuǎn)子磁鐵相互作用引起的伺服電機內(nèi)部轉(zhuǎn)矩脈動的附加環(huán)。 所有這些都可以改善電機的低速性能，zui終提高成品的精度和表面質(zhì)量。

主要驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)

如上所述，驅(qū)動系統(tǒng)性能由控制架構(gòu)、電動機設(shè)計、電力電路、反饋傳感器、控制處理器等各個方面決定。 面對日益提高的驅(qū)動性能、靈活性和成本要求，以及模擬和數(shù)字電控組件的進步，控制體系結(jié)構(gòu)正在發(fā)展。 基于模擬電路的以往的伺服控制已被使用嵌入式處理器的數(shù)字控制所代替。 另外，CNC的速度指令信號原本是精密模擬信號，現(xiàn)在通過實時(RT  )產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包。 因此，現(xiàn)代伺服驅(qū)動系統(tǒng)除了控制和電力電路外，還包括通信接口。驅(qū)動系統(tǒng)中始終存在的電路設(shè)計難題是如何安全地隔離高壓電力電路和用戶連接的控制和通信電路有降低變頻器信號分離困難的常用架構(gòu)。 也就是說，直接連接電力電路和控制處理器的接地，在控制處理器和通信接口之間使用隔離門。 伺服驅(qū)動應(yīng)用的更常見的體系結(jié)構(gòu)選擇是在功率電平和控制處理器之間配置安全保護門，將控制處理器和通信接口直接連接起來。 另一個常見的體系結(jié)構(gòu)是將安全門分布在電力、控制和通信之間。 這樣可以減少各分離門的分離標準要求，縮小系統(tǒng)整體的大小。

圖3 .采用絕緣式控制體系結(jié)構(gòu)的雙軸電機控制系統(tǒng)

圖3示出了使用ADSP-CM408混合信號ASP和AD7403隔離調(diào)制器的隔離控制架構(gòu)的示例。 其中，逆變器的柵極驅(qū)動、電壓反饋和電機電流反饋信號與控制處理器隔離，但直接連接位置反饋傳感器、用戶和通信接口。 該架構(gòu)不僅可以為控制電路提供安全的隔離，還可以抑制高壓開關(guān)電源逆變器產(chǎn)生的電路噪聲。 電機電流反饋由繞組分流和隔離-調(diào)制器產(chǎn)生，這些調(diào)制器提供增益匹配、非常低的失調(diào)、非常高的線性度。 完整的電流反饋信號路徑還包括控制處理器，其上的可編程sinc3濾波器還具有輸出短路檢測功能。 模擬信號隔離器提供逆變器總線的電壓分離，該信號由嵌入式采樣ADC得到。 控制處理器上的四象限(qep  )支持簡單的數(shù)字編碼器接口，但具有插值電路的更高分辨率編碼器可以根據(jù)需要使用高速串行接口來傳輸位置和速度信息

上例中的RT  (實時)以太網(wǎng)接口由FPGA電路提供，可以靈活地支持自動化市場上的各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 FPGA管理來自網(wǎng)絡(luò)的實時分組，控制處理器具備帶寬和存儲器，支持協(xié)議棧的管理。 許多這樣的協(xié)議支持抖動要求小于1 s的同步實時控制，給通信接口帶來了非常重的處理負荷。 如上所述，這種對伺服驅(qū)動同步的要求與伺服驅(qū)動性能同樣重要。 在現(xiàn)代自動化機械系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)高生產(chǎn)率和高質(zhì)量的產(chǎn)品，這兩者是不可缺少的。 自動化系統(tǒng)的新趨勢之一是使用單一的處理器控制2~3個伺服電機，依賴單一的實時通信接口。 目前，高速專用信號處理器(ASSP  )支持這種趨勢，如ADPS-CM408，包括高速浮點內(nèi)核、多組電機控制和通信外圍設(shè)備。

工業(yè)電機驅(qū)動應(yīng)用展示出的多種架構(gòu)強調(diào)了許多重要的電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計課題依然存在隨著可用的控制處理和傳感器反饋信號帶寬的增加，自動化行業(yè)要求更高精度和動態(tài)的響應(yīng)。 新的材料、傳感器、控制、通信電路架構(gòu)，甚至更多的算法和軟件，很可能會繼續(xù)滿足自動化生產(chǎn)行業(yè)更高的生產(chǎn)力和更高的質(zhì)量需求。

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