伺服驅(qū)動產(chǎn)品精準與智能的突破

前言

近幾年，國內(nèi)的工業(yè)自動化領(lǐng)域呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的態(tài)勢，國外的先進技術(shù)迅速得到引入和普及化地推廣，其中作為驅(qū)動方面的重要代表產(chǎn)品的伺服已被廣大用戶所接受，在機器革新中起到了至關(guān)重要的作用。精準的驅(qū)動效果和智能化的運動控制通過伺服產(chǎn)品可以完美的實現(xiàn)機器的高效自動化，這兩方面也成為伺服發(fā)展的重要指標。

1 伺服系統(tǒng)介紹

伺服驅(qū)動技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的重要組成部分。與數(shù)控裝置相配合，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性直接影響機床的位移速度，定位精度和加工精度?，F(xiàn)在，直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代；伺服電機的位置，速度及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化；并采用了新的控制理論，實現(xiàn)了不受機械負荷變動影響的高速響應(yīng)系統(tǒng)（圖1）。

圖1 半閉環(huán)伺服控制

其主要新發(fā)展的技術(shù)有：
 
a．前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)，是把檢測器信號與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著跟蹤滯后誤差，這使得在加工拐角及圓弧時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上

c．伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)（包括電流環(huán)）均采用軟件控制，如數(shù)字調(diào)解和矢量控制等。為適應(yīng)不同類型的機床，不同精度和不同速度要術(shù)，預(yù)先調(diào)整加、減速性能。
 
d．采用高分辨的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)有微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高，增量位置檢測為10000 p/r（脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn)）以上；絕對位置檢測為1000000 p/r以上。
 
e． 補償技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都具有補償功能，可以對伺服系統(tǒng)進行多種補償，如絲杠螺距誤差補償，齒側(cè)間隙補償、軸向運動誤差補償、空間誤差補償和熱變形補償?shù)取?

2 新一代精準伺服產(chǎn)品

所謂精準，是指通過伺服驅(qū)動后所達到執(zhí)行效果和目標設(shè)定的一致程度高，控制精密性好。要達成這樣的結(jié)果需要在執(zhí)行裝置（電機）和驅(qū)動裝置（驅(qū)動器）上做到針對性地設(shè)計和制造。

日本橫河公司的DDM產(chǎn)品是具有這樣特性的非常典型的產(chǎn)品。

以下就3個方面對DD馬達進行介紹

圖2  DD馬達與伺服+減速機構(gòu)架比較

首先，間隙誤差被消除。普通的傳動機構(gòu)由于有減速機、聯(lián)軸器、齒輪、皮帶或絲杠等中間環(huán)節(jié)，間隙誤差是肯定無法避免的，尤其是對于長時間運轉(zhuǎn)所造成的機械磨損更是無法補償。DD馬達恰恰能很好的解決以上的問題，由于DD直接驅(qū)動的安裝方式（圖2），誤差被減為最少；而且它的伺服特性也可以隨時修正誤差，達到最理想的控制精度。

其次，高解析度和高定位精度。DYNASERV DD馬達選配的編碼器分辨率很高，DM1B-045的解析度為655,360PPR（DM-A系列 達到4096000PPR），電器控制精度高，已經(jīng)超過普通伺服的控制精度1個數(shù)量級。由于制作相當精密，最終的精度控制一般可以達到2秒以內(nèi)。

第三，高剛性，結(jié)構(gòu)緊湊，使用效率高。DD 馬達的剛性很強，與負載結(jié)合后特性很硬，對于其驅(qū)動器要求更高。最新型的DYNASERV驅(qū)動器可以提供在線增益調(diào)試和共振濾波。馬達中空獨特設(shè)計不但減輕了自身慣量，也給客戶提供了更多的安裝形式。組合后的機械結(jié)構(gòu)會更加緊湊，使用效率比較其他方式最高。

DD馬達的相對轉(zhuǎn)速比較低，額定轉(zhuǎn)速基本在60rpm~240rpm之間，但是這里的轉(zhuǎn)速是最終在轉(zhuǎn)臺上的轉(zhuǎn)速，相對比普通伺服+減速機的構(gòu)架，在最終轉(zhuǎn)速上也是非常有優(yōu)勢。在保持轉(zhuǎn)速的同時DD馬達保持了高的輸出扭力，由于采用永磁定子，因此在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)橫河DD馬達的扭力輸出曲線能夠保持平滑線性特性（圖3）。

圖3  DD馬達 轉(zhuǎn)速-扭矩輸出特性

橫河的GIII驅(qū)動器采用了I-PD控制方式，同樣帶寬的電流環(huán)，采用I-PD控制的GIII驅(qū)動器達到10Hz帶寬的位置環(huán)，與傳統(tǒng)的PID控制方式相比，減小了2.5倍的速度帶寬。這個特點決定了馬達的高剛性（位置帶寬）。

圖4  橫河GIII驅(qū)動器控制控制圖

在應(yīng)用上，橫河DDM產(chǎn)品也是處于最先進地位，涉及領(lǐng)域有不干膠印刷機行業(yè)、LCD生產(chǎn)線、DVD/CVD生產(chǎn)設(shè)備、IC檢測設(shè)備、半導體制造設(shè)備、電子制造設(shè)備等產(chǎn)業(yè)機械的多個領(lǐng)域。

不干膠商標印

刷機采用平壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要完成工藝：送紙，印刷（二次套?。?，壓凸，燙金，裁切或收卷，計數(shù)。印刷速度為60-180次/分鐘。一次印刷測定值<0.03，二次套印測定值<0.035。（統(tǒng)計值）。DD馬達主要用于驅(qū)動輥的拖動，由控制原理圖5所視，1次印刷時單軸控制器

圖5 橫河DD馬達在不干膠印刷機的應(yīng)用

SPC007控制DD馬達的行走長度和速度，印版上下印色；二次套印時，色標傳感器掃描Mark點，通知SPC007以追Mark模式控制DD運動，印版上下套色。行走距離和速度的設(shè)定可由上位指撥開關(guān)或人機界面來完成。比較舊型機種，節(jié)省了人力，尤其針對套色問題，完全是由控制器來完成。避免了機械誤差所造成經(jīng)常作機械調(diào)整的工作，大大提高了工作效率。并且維護簡單，設(shè)備安全性好。
 
橫河DD馬達最大的行業(yè)應(yīng)用是LCD、半導體關(guān)產(chǎn)業(yè)，圖6是在劃片機的應(yīng)用，圖7是在IC分揀機的應(yīng)用，同樣也用到了DD馬達的高精度，高剛性以及直接連接結(jié)構(gòu)簡單，精度壽命長便于維護等特點，目前在國內(nèi)有比較大的市場。

圖6  DD馬達在劃片機的應(yīng)用

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3 新一代智能伺服產(chǎn)品

智能化是指伺服產(chǎn)品可以做智能地驅(qū)動和控制。驅(qū)動器的驅(qū)動能力、控制效果、編程再開發(fā)性以及和上位控制系統(tǒng)信息通訊開放程度是衡量該驅(qū)動產(chǎn)品智能化的基本指標。從模擬式的可控硅驅(qū)動電路搭接的簡易模塊到現(xiàn)在全數(shù)字式的交流驅(qū)動器，短短十幾年的時間驅(qū)動器的革新從未停下腳步。下面通過對以色列ELMO驅(qū)動器的介紹讓國內(nèi)更多人熟悉世界上最先進的發(fā)展方向。

Elmo的驅(qū)動器在設(shè)計上強調(diào)“主動”的觀念，采用自主開發(fā)的芯片電路，使整個處理過程始終保持在平穩(wěn)的過渡中。對比傳統(tǒng)的RC“被動”的轉(zhuǎn)換方式，啟動和關(guān)斷時電流沖擊和損失將大大降低，可以實現(xiàn)非常低的EMI。Elmo所生產(chǎn)的各種驅(qū)動器（用MOSFET 還是 IGBT的驅(qū)動器），均可實現(xiàn)快速有效的功率轉(zhuǎn)換，能耗損失不超過3%。在能量消耗方面Elmo公司提出了熱能管理的觀念，強調(diào)能耗低損失的同時，熱能也可以得到有效的釋放。其獨有的陶瓷貼裝的散熱技術(shù)，可保證100%的熱量導出。

為了快速，強有力的融合馬達和驅(qū)動器，Elmo公司推出了SimplIQ技術(shù)（圖8），具有多種反饋選擇編程能力，和標準的信號監(jiān)測技術(shù)，優(yōu)良的運動控制技術(shù)，簡化了控制過程，使機器在理想狀態(tài)下工作。Elmo驅(qū)動器擁有獨特的高級位置控制功能包括點到點運動、PT（位置時間表）、PVT（位置速度時間）、ECAM（電子凸輪）、位置跟隨脈沖輸入、雙回路、快速事件捕捉、快速輸出比較[OC]、事件捕捉式中斷、事件觸發(fā)式編程等。同時在在高級濾波和增益預(yù)定模式下Elmo驅(qū)動器也是獨特設(shè)計，包括非工作狀態(tài)下的速度和電流增益設(shè)定、速度位置的PIP控制、自動整流調(diào)制、自動電機相位排序等。通訊方式支持RS-232、CANopen DS-301,DS-402。

Elmo的控制器Maestro是一款基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運動控制器和監(jiān)控器（圖9），通過它配合Elmo自己的智能型驅(qū)動器使用，可以完成許多復(fù)雜的多軸運動控制。用Masetro和SimpleIQ驅(qū)動器所構(gòu)建的運動控制網(wǎng)絡(luò)是基于分布式運動控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。同時支持同步運動控制、順序運動控制、多軸運動記錄和分析工具、多軸應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)。通過直接訪問以太網(wǎng)完成各軸的調(diào)整、監(jiān)控和通常的分析。

圖8  Elmo智能驅(qū)動器控制原理

圖9  基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運動控制器

在航天、醫(yī)療、包裝等產(chǎn)業(yè)機械，Elmo驅(qū)動器由于其自身特點，也得到了廣泛的應(yīng)用。

圖10  Elmo驅(qū)動器在印刷機的應(yīng)用

圖10中兩個Elmo驅(qū)動器輔助反饋相連結(jié)，從軸跟隨主軸，完成ECAM功能，不需要控制器，就可以完成需要的運動控制。

圖11為繞線機的應(yīng)用，其中一臺跟隨編碼器，完成ECAM功能，另兩臺驅(qū)動器有一臺作為主，另一臺作為從，完成ECAM功能，因此在不需要控制器的情況下就可以完成繞線機的運動控制。
圖11 Elmo驅(qū)動器在繞線機的應(yīng)用

圖11 Elmo驅(qū)動器在繞線機的應(yīng)用

4 結(jié)論 

精準的定位和智能控制今后還會向深入的方向發(fā)展，機電一體化的結(jié)構(gòu)革命和驅(qū)動與控制的相互滲透在今后的幾年中將成為主導市場的新的趨勢。天津羅升企業(yè)有限公司也一直在致力于此發(fā)展方向，推進國內(nèi)工業(yè)運動控制先進先進產(chǎn)品引入與推廣，逐漸國內(nèi)也將會有部分產(chǎn)品（電機驅(qū)動方面）接近國際的先進水平，在世界領(lǐng)域占有一席之地。