【導(dǎo)讀】自動(dòng)化精密制造推動(dòng)了當(dāng)今許多高科技設(shè)備的發(fā)展和廣泛使用。時(shí)尚精美的手機(jī)仰賴復(fù)雜的金屬加工工藝和精細(xì)表面處理能力來(lái)生產(chǎn)機(jī)械元件制造所需的芯片和模具。手機(jī)中微小但強(qiáng)大的電子器件的生產(chǎn)，則要依靠自動(dòng)化IC晶圓處理和精密線焊設(shè)備。大型設(shè)備同樣需要高精度和高質(zhì)量表面處理。例如，現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)依賴精細(xì)平衡和精密匹配的渦輪葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)高燃油效率和安靜工作。先進(jìn)的電子控制和形狀復(fù)雜的精密發(fā)動(dòng)機(jī)部件可優(yōu)化燃燒過(guò)程，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。
銑床沿預(yù)定路徑移動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的切割工具，對(duì)固體金屬塊進(jìn)行切削，從而生產(chǎn)金屬制品部件。精密加工是一個(gè)多步驟過(guò)程，先是粗略切削，然后經(jīng)過(guò)多道精細(xì)切削才能達(dá)到要求。多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給主軸和多個(gè)絲杠來(lái)定位工具頭。電機(jī)位置與速度伺服驅(qū)動(dòng)器的功率和剛度決定了支持特定表面處理精度水平的最大切削速率。因此，高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可提高切削速率或減少切削次數(shù)，從而直接影響到銑削過(guò)程效率。每次操作都選擇最佳運(yùn)動(dòng)方案，以及盡量縮短刀具更換時(shí)間，同樣可以提高生產(chǎn)率和能效。生產(chǎn)質(zhì)量取決于絲杠的精度和電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸位置與速度控制。最新銑床有五個(gè)或更多的控制軸，支持以最少的工件設(shè)置操作次數(shù)加工出復(fù)雜的形狀。大批量生產(chǎn)線所用的專用加工中心甚至包括更多的伺服驅(qū)動(dòng)器，支持多個(gè)金屬加工并行操作和類機(jī)器人功能，使加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。機(jī)器設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是如何讓多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸的操作和運(yùn)動(dòng)方案同步，從而在維持產(chǎn)品質(zhì)量不變的同時(shí)，使機(jī)器吞吐效率最大化。
精密運(yùn)動(dòng)控制
控制現(xiàn)代工廠所用自動(dòng)化機(jī)器的各種元件如圖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(jī)器操作，并且為機(jī)器中每個(gè)伺服電機(jī)軸產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器包括多個(gè)控制環(huán)路來(lái)管理機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、電磁扭矩產(chǎn)生和電路動(dòng)態(tài)特性。各控制元件的性能對(duì)機(jī)器吞吐效率和表面處理質(zhì)量至關(guān)重要。計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)工具根據(jù)產(chǎn)品圖紙、材料特性、機(jī)器和刀具能力，產(chǎn)生成品所需的機(jī)加工操作組合運(yùn)動(dòng)方案。然后，由自動(dòng)化機(jī)器執(zhí)行這些方案來(lái)制造產(chǎn)品。
圖1. 自動(dòng)化機(jī)器控制系統(tǒng)
完整的機(jī)器控制功能包括多個(gè)級(jí)聯(lián)控制環(huán)路。考慮絲杠(用于將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動(dòng))提供的傳動(dòng)裝置，CNC將機(jī)器空間(x、y和z)運(yùn)動(dòng)配置轉(zhuǎn)換為每個(gè)電機(jī)軸的(θ或ω)運(yùn)動(dòng)配置。每種運(yùn)動(dòng)配置由時(shí)間中的位置或速度集合來(lái)定義。軸間的時(shí)序同步非常重要，因?yàn)闀r(shí)序誤差對(duì)一個(gè)軸的影響與位置和速度誤差相同。
伺服驅(qū)動(dòng)速度環(huán)路的功能是計(jì)算跟隨目標(biāo)速度曲線所需的電機(jī)扭矩指令(T*)。成品的精度和表面質(zhì)量取決于機(jī)器能否精確地引導(dǎo)切削工具沿目標(biāo)路徑移動(dòng)。機(jī)加工操作的挑戰(zhàn)在于金屬切削過(guò)程是非連續(xù)的，因?yàn)椴牧弦运槠问矫撀洌虼耍欧?qū)動(dòng)負(fù)載也會(huì)迅速變化。速度環(huán)路必須能夠在切削操作中維持恒定的速度而不受負(fù)載變化的影響，并且在刀具更換操作中能夠迅速響應(yīng)速度指令。低速時(shí)的控制質(zhì)量高度取決于位置反饋的分辨率，因?yàn)樾枰卟蓸铀俾饰⒎制鱽?lái)產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)速度信號(hào)。
機(jī)床驅(qū)動(dòng)所用的精密編碼器采用快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在編碼器計(jì)數(shù)之間插值，以提供更高的分辨率。例如，一個(gè)4096線編碼器采用簡(jiǎn)單的數(shù)字接口時(shí)，可提供14位/轉(zhuǎn)的位置分辨率，而采用插值方法時(shí)，其分辨率至少可擴(kuò)展至22位/轉(zhuǎn)。位置分辨率提高到22位之后，在4位速度分辨率和1 RPM的條件下，采樣速率可達(dá)4 kHz，而之前在4位速度分辨率和60 RPM的條件下，采樣速率只有1 kHz。
在永磁交流伺服電機(jī)中，為了高效率、高動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生扭矩，要求正弦定子電流與轉(zhuǎn)子磁體角位置對(duì)齊，如圖2所示。電流和磁場(chǎng)對(duì)齊控制確保電機(jī)扭矩滿足速度環(huán)路的動(dòng)態(tài)要求。PWM和逆變器反饋隔離模塊包括在電路控制功能中。三相功率逆變器將所需的電壓施加于電機(jī)繞組以驅(qū)動(dòng)目標(biāo)繞組電流。電流反饋功能將繞組電流測(cè)量與高壓逆變器隔離，并向磁場(chǎng)對(duì)齊模塊提供反饋信號(hào)。電流反饋的精度決定扭矩產(chǎn)生的質(zhì)量，因?yàn)榉答佒械脑鲆妗⑹д{(diào)或非線性誤差會(huì)產(chǎn)生紋波扭矩，進(jìn)而表現(xiàn)為對(duì)速度控制器的負(fù)載干擾。在某些精密伺服驅(qū)動(dòng)中，有一個(gè)附加環(huán)路也會(huì)補(bǔ)償定子繞組線槽與轉(zhuǎn)子磁鐵相互作用所引起的伺服電機(jī)內(nèi)部扭矩紋波。所有這些都能改善電機(jī)的低速性能，最終增強(qiáng)成品的精度和表面質(zhì)量。
驅(qū)動(dòng)架構(gòu)
如上所述，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能由多個(gè)方面決定，例如控制架構(gòu)、電機(jī)設(shè)計(jì)、功率電路、反饋傳感器和控制處理器。面對(duì)日益提高的驅(qū)動(dòng)性能、靈活性和成本要求，以及模擬和數(shù)字電子控制元件的進(jìn)步，控制架構(gòu)在不斷發(fā)展。基于模擬電路的傳統(tǒng)伺服控制已被使用嵌入式處理器的數(shù)字控制所取代。另外，CNC的速度指令信號(hào)原先是精密模擬信號(hào)，現(xiàn)已變?yōu)閿?shù)據(jù)包通過(guò)實(shí)時(shí)(RT)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。因此，除了控制和功率電路以外，現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括通信接口。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永遠(yuǎn)存在的電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是如何將高壓功率電路與用戶連接的控制和通信電路安全地隔離。有一個(gè)常見(jiàn)架構(gòu)可降低逆變器信號(hào)隔離困難，即功率電路與控制處理器接地直連，控制處理器與通信接口之間使用隔離柵。伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用更常見(jiàn)的架構(gòu)選擇是將安全隔離柵放在功率級(jí)與控制處理器之間，而控制處理器與通信接口直連。還有一種不那么常見(jiàn)的架構(gòu)，即把安全隔離柵分散在功率、控制和通信之間。這會(huì)降低每個(gè)隔離柵的隔離標(biāo)準(zhǔn)要求，而且可以縮小系統(tǒng)的整體尺寸。
圖3顯示了一個(gè)隔離控制架構(gòu)實(shí)例，其中逆變器柵極驅(qū)動(dòng)、電壓反饋和電機(jī)電流反饋信號(hào)與控制處理器相隔離，但直連位置反饋傳感器、用戶和通信接口。這種架構(gòu)不僅為控制電路提供安全隔離，還能抑制高壓開關(guān)電源逆變器所產(chǎn)生的電路噪聲。電機(jī)電流反饋由繞組分流器和隔離式Σ-Δ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)和非常高的線性度。完整的電流反饋信號(hào)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(cè)功能。模擬信號(hào)隔離器提供逆變器總線電壓隔離，此信號(hào)由嵌入式采樣ADC獲得。控制處理器上的正交編碼器外設(shè)(QEP)支持簡(jiǎn)單的數(shù)字編碼器接口，但帶插值電路的更高分辨率編碼器通常使用高速串行接口，以便按需發(fā)送位置和速度信息。
圖2 兩相永磁交流電機(jī)磁場(chǎng)對(duì)齊
圖3. 采用隔離式控制架構(gòu)的雙軸電機(jī)控制系統(tǒng)，使用ADSP-CM408混合信號(hào)ASP和AD7403隔離式調(diào)制器
上例中的實(shí)時(shí)(RT)以太網(wǎng)接口由一個(gè)FPGA電路提供，以便能夠靈活地支持自動(dòng)化市場(chǎng)上的多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。FPGA管理來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，而控制處理器則具備帶寬和存儲(chǔ)器來(lái)支持協(xié)議棧的管理。許多此類協(xié)議支持抖動(dòng)要求小于1 μs的同步實(shí)時(shí)控制，這會(huì)給通信接口帶來(lái)非常重的處理負(fù)擔(dān)。如前所述，這種對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)同步的要求，與伺服驅(qū)動(dòng)性能一樣重要。在現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)加工系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和高質(zhì)量成品，以上二者不可或缺。自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)新興趨勢(shì)是利用單個(gè)處理器控制兩到三個(gè)伺服電機(jī)并依賴單個(gè)實(shí)時(shí)通信接口。現(xiàn)在，高速專用信號(hào)處理器(ASSP)便支持這種趨勢(shì)，例如ADPS-CM408，其包括一個(gè)高速浮點(diǎn)內(nèi)核和多組電機(jī)控制與通信外設(shè)。
工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用展現(xiàn)出來(lái)的多種多樣的架構(gòu)，突出說(shuō)明了許多重要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)仍然存在這一事實(shí)。隨著可用控制處理和傳感器反饋信號(hào)帶寬的增加，自動(dòng)化行業(yè)對(duì)更高精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求不斷提高。新材料、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(huì)繼續(xù)滿足自動(dòng)化生產(chǎn)行業(yè)對(duì)更高生產(chǎn)率和更高質(zhì)量的需求。
參考文獻(xiàn)
Will Dalrymple，“高速移動(dòng)的機(jī)械。”Machinery.co.uk，第173卷，第4232期，2015年1月。
Ferrari C.B.，“無(wú)與倫比的精度。”運(yùn)動(dòng)世界，第9卷，第2期，2010年。
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