伺服驱动产品精准与智能的突破

    前言
 
    近几年，国内的工业自动化领域呈现出飞速发展的态势，国外的先进技术迅速得到引入和普及化地推广，其中作为驱动方面的重要代表产品的伺服已被广大用户所接受，在机器革新中起到了至关重要的作用。精准的驱动效果和智能化的运动控制通过伺服产品可以完美的实现机器的高效自动化，这两方面也成为伺服发展的重要指标。

    1、伺服系统介绍

    伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分。与数控装置相配合，伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位移速度，定位精度和加工精度。现在，直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代；伺服电机的位置，速度及电流环都实现了数字化；并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统（图1）。

图1 半闭环伺服控制

    其主要新发展的技术有：

    a．前馈控制技术。过去的伺服系统，是把检测器信号与位置指令的差值乘以位置环增益作为速度指令。这种控制方式总是存在着跟踪滞后误差，这使得在加工拐角及圆弧时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样使伺服系统的跟踪滞后误差大大减小。

    b．机械静止摩擦的非线性控制技术。对于一些具有较大静止摩擦的数控机床，新型数字伺服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性控制功能。

    c．伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用软件控制，如数字调解和矢量控制等。为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度要术，预先调整加、减速性能。

    d．采用高分辨的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内有微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高，增量位置检测为10000 p/r（脉冲数/每转）以上；绝对位置检测为1000000 p/r以上。

    e． 补偿技术得到了发展和应用。现代数控系统都具有补偿功能，可以对伺服系统进行多种补偿，如丝杠螺距误差补偿，齿侧间隙补偿、轴向运动误差补偿、空间误差补偿和热变形补偿等。

    2、新一代精准伺服产品

    所谓精准，是指通过伺服驱动后所达到执行效果和目标设定的一致程度高，控制精密性好。要达成这样的结果需要在执行装置（电机）和驱动装置（驱动器）上做到针对性地设计和制造。

    日本横河公司的DDM产品是具有这样特性的非常典型的产品。

    以下就3个方面对DD马达进行介绍：

图2 DD马达与伺服+减速机架构比较

    首先，间隙误差被消除。普通的传动机构由于有减速机、联轴器、齿轮、皮带或丝杠等中间环节，间隙误差是肯定无法避免的，尤其是对于长时间运转所造成的机械磨损更是无法补偿。DD马达恰恰能很好的解决以上的问题，由于DD直接驱动的安装方式（图2），误差被减为最少；而且它的伺服特性也可以随时修正误差，达到最理想的控制精度。

    其次，高解析度和高定位精度。DYNASERV DD马达选配的编码器分辨率很高，DM1B-045的解析度为655,360PPR（DM-A系列 达到4096000PPR），电器控制精度高，已经超过普通伺服的控制精度1个数量级。由于制作相当精密，最终的精度控制一般可以达到2秒以内。
   
    第三，高刚性，结构紧凑，使用效率高。DD 马达的刚性很强，与负载结合后特性很硬，对于其驱动器要求更高。最新型的DYNASERV驱动器可以提供在线增益调试和共振滤波。马达中空独特设计不但减轻了自身惯量，也给客户提供了更多的安装形式。组合后的机械结构会更加紧凑，使用效率比较其他方式最高。

    DD马达的相对转速比较低，额定转速基本在60rpm~240rpm之间，但是这里的转速是最终在转台上的转速，相对比普通伺服+减速机的构架，在最终转速上也是非常有优势。在保持转速的同时DD马达保持了高的输出扭力，由于采用永磁定子，因此在额定转速内横河DD马达的扭力输出曲线能够保持平滑线性特性（图3）。

图3 DD马达 转速-扭矩输出特性

    横河的GIII驱动器采用了I-PD控制方式，同样带宽的电流环，采用I-PD控制的GIII驱动器达到10Hz带宽的位置环，与传统的PID控制方式相比，减小了2.5倍的速度带宽。这个特点决定了马达的高刚性（位置带宽）。

图4 横河GIII驱动器控制控制图

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    在应用上，横河DDM产品也是处于最先进地位，涉及领域有不干胶印刷机行业、LCD生产线、DVD/CVD生产设备、IC检测设备、半导体制造设备、电子制造设备等产业机械的多个领域。

    不干胶商标印刷机采用平压式结构设计，主要完成工艺：送纸，印刷（二次套印），压凸，烫金，裁切或收卷，计数。印刷速度为60-180次/分钟。一次印刷测定值<0.03，二次套印测定值<0.035。（统计值）。DD马达主要用于驱动辊的拖动，由控制原理图5所示，1次印刷时单轴控制器。

图5 横河DD马达在不干胶印刷机的应用

    SPC007控制DD马达的行走长度和速度，印版上下印色；二次套印时，色标传感器扫描Mark点，通知SPC007以追Mark模式控制DD运动，印版上下套色。行走距离和速度的设定可由上位指拨开关或人机界面来完成。比较旧型机种，节省了人力，尤其针对套色问题，完全是由控制器来完成。避免了机械误差所造成经常作机械调整的工作，大大提高了工作效率。并且维护简单，设备安全性好。

    横河DD马达最大的行业应用是LCD、半导体关产业，图6是在划片机的应用，图7是在IC分拣机的应用，同样也用到了DD马达的高精度，高刚性以及直接连接结构简单，精度寿命长便于维护等特点。

图6 DD马达在划片机的应用

图7 DD马达在IC分拣机的应用

    3、新一代智能伺服产品

    智能化是指伺服产品可以做智能地驱动和控制。驱动器的驱动能力、控制效果、编程再开发性以及和上位控制系统信息通讯开放程度是衡量该驱动产品智能化的基本指标。从模拟式的可控硅驱动电路搭接的简易模块到现在全数字式的交流驱动器，短短十几年的时间驱动器的革新从未停下脚步。下面通过对以色列elmo驱动器的介绍让国内更多人熟悉世界上最先进的发展方向。

    Elmo的驱动器在设计上强调“主动”的观念，采用自主开发的芯片电路，使整个处理过程始终保持在平稳的过渡中。对比传统的RC“被动”的转换方式，启动和关断时电流冲击和损失将大大降低，可以实现非常低的EMI。Elmo所生产的各种驱动器（用MOSFET 还是 IGBT的驱动器），均可实现快速有效的功率转换，能耗损失不超过3%。在能量消耗方面Elmo公司提出了热能管理的观念，强调能耗低损失的同时，热能也可以得到有效的释放。其独有的陶瓷贴装的散热技术，可保证100%的热量导出。

    为了快速，强有力的融合马达和驱动器，Elmo公司推出了SimplIQ技术（图8），具有多种反馈选择编程能力，和标准的信号监测技术，优良的运动控制技术，简化了控制过程，使机器在理想状态下工作。Elmo驱动器拥有独特的高级位置控制功能包括点到点运动、PT（位置时间表）、PVT（位置速度时间）、ECAM（电子凸轮）、位置跟随脉冲输入、双回路、快速事件捕捉、快速输出比较[OC>、事件捕捉式中断、事件触发式编程等。同时在在高级滤波和增益预定模式下Elmo驱动器也是独特设计，包括非工作状态下的速度和电流增益设定、速度位置的PIP控制、自动整流调制、自动电机相位排序等。通讯方式支持RS-232、CANopen DS-301,DS-402。

图8 Elmo智能驱动器控制原理

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    Elmo的控制器Maestro是一款基于网络的多轴运动控制器和监控器（图9），通过它配合Elmo自己的智能型驱动器使用，可以完成许多复杂的多轴运动控制。用Masetro和SimpleIQ驱动器所构建的运动控制网络是基于分布式运动控制网络构架。同时支持同步运动控制、顺序运动控制、多轴运动记录和分析工具、多轴应用开发系统。通过直接访问以太网完成各轴的调整、监控和通常的分析。

图9 基于网络的多轴运动控制器

    在航天、医疗、包装等产业机械，Elmo驱动器由于其自身特点，也得到了广泛的应用。

图10 Elmo驱动器在印刷机的应用
   
    图10中两个Elmo驱动器辅助反馈相连结，从轴跟随主轴，完成ECAM功能，不需要控制器，就可以完成需要的运动控制。

    图11为绕线机的应用，其中一台跟随编码器，完成ECAM功能，另两台驱动器有一台作为主，另一台作为从，完成ECAM功能，因此在不需要控制器的情况下就可以完成绕线机的运动控制。

图11 Elmo驱动器在绕线机的应用

    4、结论

    精准的定位和智能控制今后还会向深入的方向发展，机电一体化的结构革命和驱动与控制的相互渗透在今后的几年中将成为主导市场的新的趋势。天津罗升企业有限公司也一直在致力于此发展方向，推进国内工业运动控制先进先进产品引入与推广，逐渐国内也将会有部分产品（电机驱动方面）接近国际的先进水平，在世界领域占有一席之地。