伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品精準(zhǔn)與智能的突破

前言

近幾年，國(guó)內(nèi)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)迅速得到引入和普及化地推廣，其中作為驅(qū)動(dòng)方面的重要代表產(chǎn)品的伺服已被廣大用戶所接受，在機(jī)器革新中起到了至關(guān)重要的作用。精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)效果和智能化的運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)伺服產(chǎn)品可以完美的實(shí)現(xiàn)機(jī)器的高效自動(dòng)化，這兩方面也成為伺服發(fā)展的重要指標(biāo)。

1 伺服系統(tǒng)介紹

伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性直接影響機(jī)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(jī)的位置，速度及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化；并采用了新的控制理論，實(shí)現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)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(guò)去的伺服系統(tǒng)，是把檢測(cè)器信號(hào)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(shí)加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來(lái)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(jī)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(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)有微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高，增量位置檢測(cè)為10000 p/r（脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn)）以上；絕對(duì)位置檢測(cè)為1000000 p/r以上。
 
e． 補(bǔ)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(bǔ)償功能，可以對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補(bǔ)償，如絲杠螺距誤差補(bǔ)償，齒側(cè)間隙補(bǔ)償、軸向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償、空間誤差補(bǔ)償和熱變形補(bǔ)償?shù)取?

2 新一代精準(zhǔn)伺服產(chǎn)品

所謂精準(zhǔn)，是指通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)后所達(dá)到執(zhí)行效果和目標(biāo)設(shè)定的一致程度高，控制精密性好。要達(dá)成這樣的結(jié)果需要在執(zhí)行裝置（電機(jī)）和驅(qū)動(dòng)裝置（驅(qū)動(dòng)器）上做到針對(duì)性地設(shè)計(jì)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(gè)方面對(duì)DD馬達(dá)進(jìn)行介紹

圖2  DD馬達(dá)與伺服+減速機(jī)構(gòu)架比較

首先，間隙誤差被消除。普通的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于有減速機(jī)、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(wú)法避免的，尤其是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的機(jī)械磨損更是無(wú)法補(bǔ)償。DD馬達(dá)恰恰能很好的解決以上的問(wèn)題，由于DD直接驅(qū)動(dòng)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(shí)修正誤差，達(dá)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(dá)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(dá)到4096000PPR），電器控制精度高，已經(jīng)超過(guò)普通伺服的控制精度1個(gè)數(shù)量級(jí)。由于制作相當(dāng)精密，最終的精度控制一般可以達(dá)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(dá)的剛性很強(qiáng)，與負(fù)載結(jié)合后特性很硬，對(duì)于其驅(qū)動(dòng)器要求更高。最新型的DYNASERV驅(qū)動(dòng)器可以提供在線增益調(diào)試和共振濾波。馬達(dá)中空獨(dú)特設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)更加緊湊，使用效率比較其他方式最高。

DD馬達(dá)的相對(duì)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(tái)上的轉(zhuǎn)速，相對(duì)比普通伺服+減速機(jī)的構(gòu)架，在最終轉(zhuǎn)速上也是非常有優(yōu)勢(shì)。在保持轉(zhuǎn)速的同時(shí)DD馬達(dá)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(dá)的扭力輸出曲線能夠保持平滑線性特性（圖3）。

圖3  DD馬達(dá) 轉(zhuǎn)速-扭矩輸出特性

橫河的GIII驅(qū)動(dòng)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(dòng)器達(dá)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(gè)特點(diǎn)決定了馬達(dá)的高剛性（位置帶寬）。

圖4  橫河GIII驅(qū)動(dòng)器控制控制圖

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

不干膠商標(biāo)印

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

圖5 橫河DD馬達(dá)在不干膠印刷機(jī)的應(yīng)用

SPC007控制DD馬達(dá)的行走長(zhǎng)度和速度，印版上下印色；二次套印時(shí)，色標(biāo)傳感器掃描Mark點(diǎn)，通知SPC007以追Mark模式控制DD運(yùn)動(dòng)，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(jī)界面來(lái)完成。比較舊型機(jī)種，節(jié)省了人力，尤其針對(duì)套色問(wèn)題，完全是由控制器來(lái)完成。避免了機(jī)械誤差所造成經(jīng)常作機(jī)械調(diào)整的工作，大大提高了工作效率。并且維護(hù)簡(jiǎn)單，設(shè)備安全性好。
 
橫河DD馬達(dá)最大的行業(yè)應(yīng)用是LCD、半導(dǎo)體關(guān)產(chǎn)業(yè)，圖6是在劃片機(jī)的應(yīng)用，圖7是在IC分揀機(jī)的應(yīng)用，同樣也用到了DD馬達(dá)的高精度，高剛性以及直接連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度壽命長(zhǎng)便于維護(hù)等特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)有比較大的市場(chǎng)。

圖6  DD馬達(dá)在劃片機(jī)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(dòng)和控制。驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)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(dòng)產(chǎn)品智能化的基本指標(biāo)。從模擬式的可控硅驅(qū)動(dòng)電路搭接的簡(jiǎn)易模塊到現(xiàn)在全數(shù)字式的交流驅(qū)動(dòng)器，短短十幾年的時(shí)間驅(qū)動(dòng)器的革新從未停下腳步。下面通過(guò)對(duì)以色列ELMO驅(qū)動(dòng)器的介紹讓國(guó)內(nèi)更多人熟悉世界上最先進(jìn)的發(fā)展方向。

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

為了快速，強(qiáng)有力的融合馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)，優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，簡(jiǎn)化了控制過(guò)程，使機(jī)器在理想狀態(tài)下工作。Elmo驅(qū)動(dòng)器擁有獨(dú)特的高級(jí)位置控制功能包括點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、PT（位置時(shí)間表）、PVT（位置速度時(shí)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(shí)在在高級(jí)濾波和增益預(yù)定模式下Elmo驅(qū)動(dòng)器也是獨(dú)特設(shè)計(jì)，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(dòng)整流調(diào)制、自動(dòng)電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制器和監(jiān)控器（圖9），通過(guò)它配合Elmo自己的智能型驅(qū)動(dòng)器使用，可以完成許多復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)控制。用Masetro和SimpleIQ驅(qū)動(dòng)器所構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)是基于分布式運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。同時(shí)支持同步運(yùn)動(dòng)控制、順序運(yùn)動(dòng)控制、多軸運(yùn)動(dòng)記錄和分析工具、多軸應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)。通過(guò)直接訪問(wèn)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(dòng)器控制原理

圖9  基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器

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

圖10  Elmo驅(qū)動(dòng)器在印刷機(jī)的應(yīng)用

圖10中兩個(gè)Elmo驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制。

圖11為繞線機(jī)的應(yīng)用，其中一臺(tái)跟隨編碼器，完成ECAM功能，另兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器有一臺(tái)作為主，另一臺(tái)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(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。
圖11 Elmo驅(qū)動(dòng)器在繞線機(jī)的應(yīng)用

圖11 Elmo驅(qū)動(dòng)器在繞線機(jī)的應(yīng)用

4 結(jié)論 

精準(zhǔn)的定位和智能控制今后還會(huì)向深入的方向發(fā)展，機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)革命和驅(qū)動(dòng)與控制的相互滲透在今后的幾年中將成為主導(dǎo)市場(chǎng)的新的趨勢(shì)。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(jìn)國(guó)內(nèi)工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制先進(jìn)先進(jìn)產(chǎn)品引入與推廣，逐漸國(guó)內(nèi)也將會(huì)有部分產(chǎn)品（電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面）接近國(guó)際的先進(jìn)水平，在世界領(lǐng)域占有一席之地。