伺服驅動(dòng)產(chǎn)品精準與智能的突破

前言

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

1 伺服系統介紹

伺服驅動(dòng)技術(shù)是數控技術(shù)的重要組成部分。與數控裝置相配合，伺服系統的靜態(tài)和動(dòng)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在，直流伺服系統被交流數字伺服系統所取代；伺服電機的位置，速度及電流環(huán)都實(shí)現了數字化；并采用了新的控制理論，實(shí)現了不受機械負荷變動(dòng)影響的高速響應系統（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，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(zhù)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)的控制系統上加上

c．伺服系統的位置環(huán)和速度環(huán)（包括電流環(huán)）均采用軟件控制，如數字調解和矢量控制等。為適應不同類(lèi)型的機床，不同精度和不同速度要術(shù)，預先調整加、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/每轉）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)展和應用?，F代數控系統都具有補償功能，可以對伺服系統進(jìn)行多種補償，如絲杠螺距誤差補償，齒側間隙補償、軸向運動(dòng)誤差補償、空間誤差補償和熱變形補償等。

2 新一代精準伺服產(chǎn)品

所謂精準，是指通過(guò)伺服驅動(dòng)后所達到執行效果和目標設定的一致程度高，控制精密性好。要達成這樣的結果需要在執行裝置（電機）和驅動(dòng)裝置（驅動(dòng)器）上做到針對性地設計和制造。

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(gè)方面對DD馬達進(jìn)行介紹

圖2  DD馬達與伺服+減速機構架比較

首先，間隙誤差被消除。普通的傳動(dòng)機構由于有減速機、聯(lián)軸器、齒輪、皮帶或絲杠等中間環(huán)節，間隙誤差是肯定無(wú)法避免的，尤其是對于長(cháng)時(shí)間運轉所造成的機械磨損更是無(wú)法補償。DD馬達恰恰能很好的解決以上的問(wèn)題，由于DD直接驅動(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(guò)普通伺服的控制精度1個(gè)數量級。由于制作相當精密，最終的精度控制一般可以達到2秒以?xún)取?

第三，高剛性，結構緊湊，使用效率高。DD 馬達的剛性很強，與負載結合后特性很硬，對于其驅動(dòng)器要求更高。最新型的DYNASERV驅動(dòng)器可以提供在線(xiàn)增益調試和共振濾波。馬達中空獨特設計不但減輕了自身慣量，也給客戶(hù)提供了更多的安裝形式。組合后的機械結構會(huì )更加緊湊，使用效率比較其他方式最高。

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

圖3  DD馬達 轉速-扭矩輸出特性

橫河的GIII驅動(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驅動(dòng)器達到10Hz帶寬的位置環(huán)，與傳統的PID控制方式相比，減小了2.5倍的速度帶寬。這個(gè)特點(diǎn)決定了馬達的高剛性（位置帶寬）。

圖4  橫河GIII驅動(dòng)器控制控制圖

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

不干膠商標印

刷機采用平壓式結構設計，主要完成工藝：送紙，印刷（二次套?。?，壓凸，燙金，裁切或收卷，計數。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。（統計值）。DD馬達主要用于驅動(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馬達在不干膠印刷機的應用

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

圖6  DD馬達在劃片機的應用

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3 新一代智能伺服產(chǎn)品

智能化是指伺服產(chǎn)品可以做智能地驅動(dòng)和控制。驅動(dòng)器的驅動(dòng)能力、控制效果、編程再開(kāi)發(fā)性以及和上位控制系統信息通訊開(kāi)放程度是衡量該驅動(dòng)產(chǎn)品智能化的基本指標。從模擬式的可控硅驅動(dòng)電路搭接的簡(jiǎn)易模塊到現在全數字式的交流驅動(dòng)器，短短十幾年的時(shí)間驅動(dòng)器的革新從未停下腳步。下面通過(guò)對以色列ELMO驅動(dòng)器的介紹讓國內更多人熟悉世界上最先進(jìn)的發(fā)展方向。

Elmo的驅動(dòng)器在設計上強調“主動(dòng)”的觀(guān)念，采用自主開(kāi)發(fā)的芯片電路，使整個(gè)處理過(guò)程始終保持在平穩的過(guò)渡中。對比傳統的RC“被動(dòng)”的轉換方式，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)現非常低的EMI。Elmo所生產(chǎn)的各種驅動(dòng)器（用MOSFET 還是 IGBT的驅動(dòng)器），均可實(shí)現快速有效的功率轉換，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(guān)念，強調能耗低損失的同時(shí)，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，和標準的信號監測技術(shù)，優(yōu)良的運動(dòng)控制技術(shù)，簡(jiǎn)化了控制過(guò)程，使機器在理想狀態(tài)下工作。Elmo驅動(dòng)器擁有獨特的高級位置控制功能包括點(diǎn)到點(diǎn)運動(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)在在高級濾波和增益預定模式下Elmo驅動(dòng)器也是獨特設計，包括非工作狀態(tài)下的速度和電流增益設定、速度位置的PIP控制、自動(dòng)整流調制、自動(dòng)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(dòng)控制器和監控器（圖9），通過(guò)它配合Elmo自己的智能型驅動(dòng)器使用，可以完成許多復雜的多軸運動(dòng)控制。用Masetro和SimpleIQ驅動(dòng)器所構建的運動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )是基于分布式運動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )構架。同時(shí)支持同步運動(dòng)控制、順序運動(dòng)控制、多軸運動(dòng)記錄和分析工具、多軸應用開(kāi)發(fā)系統。通過(guò)直接訪(fǎng)問(wèn)以太網(wǎng)完成各軸的調整、監控和通常的分析。

圖8  Elmo智能驅動(dòng)器控制原理

圖9  基于網(wǎng)絡(luò )的多軸運動(dòng)控制器

在航天、醫療、包裝等產(chǎn)業(yè)機械，Elmo驅動(dòng)器由于其自身特點(diǎn)，也得到了廣泛的應用。

圖10  Elmo驅動(dòng)器在印刷機的應用

圖10中兩個(gè)Elmo驅動(dòng)器輔助反饋相連結，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(dòng)控制。

圖11為繞線(xiàn)機的應用，其中一臺跟隨編碼器，完成ECAM功能，另兩臺驅動(dòng)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(xiàn)機的運動(dòng)控制。
圖11 Elmo驅動(dòng)器在繞線(xiàn)機的應用

圖11 Elmo驅動(dòng)器在繞線(xiàn)機的應用

4 結論 

精準的定位和智能控制今后還會(huì )向深入的方向發(fā)展，機電一體化的結構革命和驅動(dòng)與控制的相互滲透在今后的幾年中將成為主導市場(chǎng)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(jìn)國內工業(yè)運動(dòng)控制先進(jìn)先進(jìn)產(chǎn)品引入與推廣，逐漸國內也將會(huì )有部分產(chǎn)品（電機驅動(dòng)方面）接近國際的先進(jìn)水平，在世界領(lǐng)域占有一席之地。