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驱动多轴伺服控制系统中的同步精确运动

自动化的精密制造使许多当今高科技设备的发展和普及成为可能。现代时尚的手机依靠复杂的金属加工工艺和精细的表面处理能力来生产制造机械部件所需的模具和模具。手机中微小但功能强大的电子元件的生产依赖于自动IC晶圆加工和精密引线键合设备。较大的设备也需要高精度和光洁度的质量。例如,现代喷气发动机依靠精确平衡和精确匹配的涡轮叶片来实现高燃料效率和安静操作。
铣床通过沿着预定路径高速旋转切削刀具来切削金属,从而将材料从固体块上切下。精密加工是一个多步骤的过程,包括第一个粗切,然后是多个更精细的切割,以达到理想的光洁度。多台电机驱动工具主轴和定位工具头所需的多个丝杠。电机位置和速度伺服驱动器的功率和刚度(甩负荷)设置最大切削速率,以支持特定的表面精度等级。因此,电机驱动性能通过实现更高的切割速度或更少的切割直接影响铣削过程的效率。通过为每个操作选择最佳的运动轮廓,并通过最小化更换刀具的时间,生产和能源效率也得到最大化。生产质量取决于丝杠的精度以及电机驱动轴的位置和速度控制。最新的铣床具有五个或更多的控制轴,以最少数量的工件设置操作支持复杂形状的创建。大批量生产线中使用的特殊用途加工中心包括更多的伺服驱动器,以支持并行的多种金属加工操作,并具有机器人功能,以实现过程的全自动化。机器设计人员面临的挑战是同步多个伺服驱动轴的操作和运动特性,从而在保持产品质量的同时最大限度地提高机器的生产能力。最新的铣床具有五个或更多的控制轴,以最少数量的工件设置操作支持复杂形状的创建。大批量生产线中使用的特殊用途加工中心包括更多的伺服驱动器,以支持并行的多种金属加工操作,并具有机器人功能,以实现过程的全自动化。机器设计人员面临的挑战是同步多个伺服驱动轴的操作和运动特性,从而在保持产品质量的同时最大限度地提高机器的生产能力。最新的铣床具有五个或更多的控制轴,以最少数量的工件设置操作支持复杂形状的创建。大批量生产线中使用的特殊用途加工中心包括更多的伺服驱动器,以支持并行的多种金属加工操作,并具有机器人功能,以实现过程的全自动化。机器设计人员面临的挑战是同步多个伺服驱动轴的操作和运动特性,从而在保持产品质量的同时最大限度地提高机器的生产能力。大批量生产线中使用的特殊用途加工中心包括更多的伺服驱动器,以支持并行的多种金属加工操作,并具有机器人功能,以实现过程的全自动化。机器设计人员面临的挑战是同步多个伺服驱动轴的操作和运动特性,从而在保持产品质量的同时最大限度地提高机器的生产能力。大批量生产线中使用的特殊用途加工中心包括更多的伺服驱动器,以支持并行的多种金属加工操作,并具有机器人功能,以实现过程的全自动化。机器设计人员面临的挑战是同步多个伺服驱动轴的操作和运动特性,从而在保持产品质量的同时最大限度地提高机器的生产能力。

精密运动控制

图1中描述了控制现代工厂中使用的自动化机器的各种元素。中央数值控制器(CNC)或可编程逻辑控制器(PLC)负责管理机器操作,并为机器中的每个伺服电机轴生成运动曲线。每个伺服驱动器包括多个控制回路,用于管理机械系统动力学,电磁转矩产生以及电路动力学。这些控制元件中的每一个的性能对于机器产量和成品质量都是至关重要的。计算机辅助制造(CAM)工具可根据产品图纸,材料特性以及机床和刀具的能力,为生成成品所需的一系列加工操作生成运动轮廓。自动机器然后执行这些轮廓来制造产品。
自动化的机器控制系统。

图1:自动化机器控制系统
整个机器控制功能包括多个级联控制回路。CNC将机床空间(x,y和z)运动轮廓转换为每个电机轴的(θ或者ω)运动轮廓,考虑由将转动转换为线性运动的丝杠提供的齿轮。每个运动轮廓由时间的位置或速度组来定义。轴之间的定时同步是至关重要的,因为定时误差与其中一个轴上的位置和速度误差具有相同的效果。
伺服驱动器速度环的功能是计算跟随目标速度曲线所需的电机转矩指令(T *)。成品的精度和表面质量取决于机器正确沿着目标路径引导切割工具的能力。机械加工中的挑战在于金属切削过程是不连续的,因为材料在切屑中剥落,所以伺服驱动负载迅速变化。速度回路必须能够在切割操作期间保持恒定的速度以抵抗负载变化,并且在换刀操作期间快速响应速度命令。低速时的控制质量高度依赖于位置反馈的分辨率,因为需要高采样率微分器来产生高动态速度信号。机床驱动中使用的精密编码器使用快速模数转换器在编码器计数之间进行插值,以提供更高的分辨率。例如,一个4096线编码器使用一个简单的数字接口提供14位/转的位置分辨率,但是这可以使用插值扩展到至少22位/转。位置分辨率提高到22位时,以4 kHz采样率支持4位1 RPM速度分辨率,而在60 RPM时只有1 kHz采样率,速度分辨率为4位。
如图2所示,永磁交流伺服电机中的高效率和高动态转矩生成要求正弦定子电流与转子磁铁角位置一致。电流和磁场定向控制确保电机转矩满足速度环的动态要求。电路控制功能中包含PWM和变频器反馈隔离模块。三相逆变器将所需的电压施加到电机绕组上,以驱动目标绕组电流。电流反馈功能将绕组电流测量与高压逆变器隔离,并将反馈信号提供给现场对准模块。电流反馈的精度决定了转矩产生的质量,因为增益,偏移,或反馈中的非线性误差会产生作为速度控制器的负载干扰出现的纹波转矩。在一些精密的伺服驱动器中,附加的回路还补偿了由定子绕组槽和转子磁体之间的相互作用所产生的伺服电机中的内部转矩脉动。所有这些都改善了电机的低速性能,最终提高了成品的精度和表面质量。

驱动架构

如前所述,驱动系统性能是由多个元件定义的,例如控制架构,电机设计,功率电路,反馈传感器和控制处理器。随着模拟和数字电子控制元件的进步,面对对驱动器性能,灵活性和成本不断增长的需求,控制架构不断发展。传统的基于模拟电路的伺服控制已经被使用嵌入式处理器的数字控制所取代。此外,来自CNC的速度指令信号,以前是精确的模拟信号,现在通过实时(RT)工业网络作为数据包传输。因此,现代伺服驱动系统包括通信接口以及控制和电源电路。
驱动系统中永远存在的电路设计挑战是将高压电源电路与用户连接的控制和通信电路安全隔离。一种简化逆变器信号隔离挑战的通用架构在电源电路和控制处理器地之间以及控制处理器和通信接口之间的隔离屏障之间具有直接的连接。伺服驱动器应用中更常见的架构选择是在功率级和控制处理器之间放置安全隔离屏障,控制处理器与通信接口直接相连。一个不太常见的架构是将功率,控制和通信之间的安全隔离屏障分开。
使用隔离式控制架构(图3)的示例显示了来自控制处理器的逆变器栅极驱动,电压反馈和电机电流反馈信号的隔离,但直接连接到位置反馈传感器和用户,以及通信接口。该架构不仅为控制电路提供了安全隔离,而且还抑制了高压开关电源逆变器产生的电路噪声。电机电流反馈由绕组分流器和隔离式Σ-Δ调制器产生,提供增益匹配,非常低的失调和非常高的线性度。控制处理器上完成电流反馈信号路径的可编程sinc3滤波器还包括输出短路检测功能。模拟信号隔离器提供逆变器总线电压隔离,该信号由嵌入式采样ADC捕获。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,但具有内插电路的更高分辨率编码器通常使用高速串行接口按需传输位置和速度信息。
2相永磁交流电动机现场对准。

图2: 2相永磁交流电机磁场对齐。
DSP-CM408混合信号ASP和AD7403隔离式调制器

图3:采用ADSP-CM408混合信号ASP和AD7403隔离调制器的隔离控制架构的双轴电机控制系统。
上例中的实时(RT)以太网接口由FPGA电路提供,以提供在自动化市场中支持多种工业联网协议所需的灵活性。FPGA管理来自网络的实时数据包,而控制处理器具有带宽和内存以支持堆栈管理。这些协议中的许多协议都支持1μs以下的抖动规范的等时实时控制,这给通信接口带来了非常大的处理负担。如前所述,伺服驱动器同步的这种需求与伺服驱动器的性能同样重要,因为在现代自动化加工系统中提供高生产率和成品质量。自动化系统的一个新兴趋势是使用单个处理器来控制两台或三台伺服电机,并依靠单个实时通信接口。现在,高速应用专用信号处理器(ASSP)的可用性得到了支持ADSP-CM408包含一个高速浮点内核和多组电机控制和通信外设。
在工业电机驱动应用中看到的各种架构凸显了许多重要的电机驱动系统设计挑战依然存在的事实。随着控制处理和传感器反馈信号带宽的可用性,自动化行业对更高精度和动态响应的需求正在增加。新材料,传感器,控制和通信电路架构以及更多算法和软件可能继续满足自动化生产对更高生产力和更高质量的需求。

(责任编辑:ioter)

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