自動(dòng)化精密制造使當(dāng)今許多高科技設(shè)備的進(jìn)步和廣泛可用成為可能。現(xiàn)代時(shí)尚的手機(jī)依靠復(fù)雜的金屬加工工藝和精細(xì)的表面精加工能力來(lái)生產(chǎn)制造機(jī)械部件所需的模具。手機(jī)中微小但功能強(qiáng)大的電子元件的生產(chǎn)依賴于自動(dòng)化IC晶圓加工和精密引線鍵合設(shè)備。大型設(shè)備也需要高精度和精加工質(zhì)量。例如，現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)依靠精細(xì)平衡和精確匹配的渦輪葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)高燃油效率和安靜運(yùn)行。先進(jìn)的電子控制和形狀復(fù)雜的精密發(fā)動(dòng)機(jī)部件優(yōu)化了燃燒過(guò)程，從而提高了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。

銑床通過(guò)沿預(yù)定義路徑高速旋轉(zhuǎn)的切削刀具來(lái)切割材料，從而對(duì)金屬進(jìn)行成型。精密加工是一個(gè)多步驟的過(guò)程，包括第一次粗切，然后進(jìn)行多次更精細(xì)的切割，以達(dá)到所需的光潔度。多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工具主軸和定位工具頭所需的多個(gè)絲杠。電機(jī)位置和速度伺服驅(qū)動(dòng)器的功率和剛度（負(fù)載抑制）設(shè)置最大切削速率，以支持特定水平的表面光潔度精度。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能通過(guò)實(shí)現(xiàn)更高的切削率或更少的切削次數(shù)直接影響銑削工藝效率。通過(guò)為每次操作選擇最佳運(yùn)動(dòng)曲線并最大限度地減少更換切削刀具的時(shí)間，還可以最大限度地提高生產(chǎn)和能源效率。生產(chǎn)質(zhì)量由絲杠的精度以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸位置和速度控制決定。最新的銑床具有五個(gè)或更多控制軸，以支持以最少的工件設(shè)置操作創(chuàng)建復(fù)雜的形狀。大批量生產(chǎn)線中使用的專用加工中心包括更多的伺服驅(qū)動(dòng)器，以支持并行的多種金屬加工操作和機(jī)器人功能，以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的完全自動(dòng)化。機(jī)器設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是同步多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸的操作和運(yùn)動(dòng)曲線，以最大限度地提高機(jī)器吞吐量，同時(shí)保持產(chǎn)品質(zhì)量。

精密運(yùn)動(dòng)控制

控制現(xiàn)代工廠中使用的自動(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，并為機(jī)器中的每個(gè)伺服電機(jī)軸生成運(yùn)動(dòng)曲線。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都包括多個(gè)控制回路，用于管理機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、電磁扭矩產(chǎn)生和電路動(dòng)力學(xué)。這些控制元件的性能對(duì)機(jī)器產(chǎn)量和表面處理質(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、材料特性以及機(jī)床和工具功能，為創(chuàng)建成品所需的一組加工操作生成運(yùn)動(dòng)曲線。然后，自動(dòng)化機(jī)器執(zhí)行這些配置文件來(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)控制回路。CNC 將機(jī)床空間（x、y 和 z）運(yùn)動(dòng)曲線轉(zhuǎn)換為每個(gè)電機(jī)軸的（θ 或 ω）運(yùn)動(dòng)曲線，考慮將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的絲杠提供的齒輪。每個(gè)運(yùn)動(dòng)曲線都由一組位置或速度在時(shí)間上定義。軸之間的時(shí)序同步至關(guān)重要，因?yàn)闀r(shí)序誤差與其中一個(gè)軸上的位置和速度誤差具有相同的影響。

伺服驅(qū)動(dòng)速度環(huán)的功能是計(jì)算遵循目標(biāo)速度曲線所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令（T*）。成品的精度和表面質(zhì)量取決于機(jī)床沿目標(biāo)路徑精確引導(dǎo)切削刀具的能力。加工操作的挑戰(zhàn)在于金屬切削過(guò)程是不連續(xù)的，因?yàn)椴牧显谇行贾袆兟洌虼怂欧?qū)動(dòng)負(fù)載變化迅速。速度回路必須能夠在切削操作期間保持恒定的速度以應(yīng)對(duì)負(fù)載變化，并在換刀操作期間快速響應(yīng)速度命令。低速下的控制質(zhì)量高度依賴于位置反饋的分辨率，因?yàn)樾枰卟蓸勇什罘制鱽?lái)產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)速度信號(hào)。機(jī)床驅(qū)動(dòng)中使用的精密編碼器使用快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在編碼器計(jì)數(shù)之間進(jìn)行插值，以提供更高的分辨率。例如，4096 線編碼器使用簡(jiǎn)單的數(shù)字接口提供 14 位/轉(zhuǎn)的位置分辨率，但使用插補(bǔ)可以擴(kuò)展到至少 22 位/轉(zhuǎn)。位置分辨率增加到 22 位后，在 1 RPM 下支持 4 位速度分辨率，采樣率為 4 kHz，而采樣率僅為 1 kHz，在 60 RPM 下支持 4 位速度分辨率。

永磁交流伺服電機(jī)中的高效和高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生需要正弦定子電流與轉(zhuǎn)子磁體角位置對(duì)齊，如圖2所示。電流和磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)控制確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足速度回路的動(dòng)態(tài)要求。PWM和逆變器反饋隔離模塊包含在電路控制功能中。三相電源逆變器向電機(jī)繞組施加所需的電壓以驅(qū)動(dòng)目標(biāo)繞組電流。電流反饋功能將繞組電流測(cè)量值與高壓逆變器隔離開來(lái)，并向現(xiàn)場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)模塊提供反饋信號(hào)。電流反饋的精度決定了轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的質(zhì)量，因?yàn)榉答佒械脑鲆妗⑵苹蚍蔷€性誤差會(huì)產(chǎn)生紋波轉(zhuǎn)矩，表現(xiàn)為速度控制器的負(fù)載擾動(dòng)。在一些精密伺服驅(qū)動(dòng)器中，附加回路還可以補(bǔ)償伺服電機(jī)中由定子繞組槽和轉(zhuǎn)子磁鐵之間的相互作用產(chǎn)生的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所有這些都提高了電機(jī)的低速性能，最終提高了成品的精度和表面質(zhì)量。

圖2.兩相永磁交流電機(jī)磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。

驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

如前所述，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能由多個(gè)元素定義，例如控制架構(gòu)、電機(jī)設(shè)計(jì)、電源電路、反饋傳感器和控制處理器。隨著模擬和數(shù)字電子控制組件的進(jìn)步，對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能、靈活性和成本的要求不斷提高，控制架構(gòu)也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的基于模擬電路的伺服控制已被使用嵌入式處理器的數(shù)字控制所取代。此外，來(lái)自CNC的速度命令信號(hào)，以前是精密模擬信號(hào)，現(xiàn)在通過(guò)實(shí)時(shí)（RT）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)包傳輸。因此，現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)通信接口以及控制和電源電路。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中一直存在的電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是將高壓電源電路與用戶連接的控制和通信電路安全地隔離開來(lái)。簡(jiǎn)化逆變器信號(hào)隔離挑戰(zhàn)的一種常見(jiàn)架構(gòu)是電源電路和控制處理器接地之間的直接連接，以及控制處理器和通信接口之間的隔離柵。伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用更常見(jiàn)的架構(gòu)選擇是在功率級(jí)和控制處理器之間放置安全隔離柵，控制處理器直接連接到通信接口。不太常見(jiàn)的架構(gòu)是在電源、控制和通信之間拆分安全隔離柵。這降低了每個(gè)屏障的隔離標(biāo)準(zhǔn)要求，并可能減小系統(tǒng)的整體尺寸。

使用隔離控制架構(gòu)的示例（圖3所示）顯示了來(lái)自控制處理器的逆變器柵極驅(qū)動(dòng)、電壓反饋和電機(jī)電流反饋信號(hào)的隔離，但直接連接到位置反饋傳感器和用戶以及通信接口。這種架構(gòu)不僅為控制電路提供了安全隔離，而且還抑制了高壓開關(guān)電源逆變器產(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，提供增益匹配、極低失調(diào)和非常高的線性度。控制處理器上的可編程sinc3濾波器完成電流反饋信號(hào)路徑，還包括輸出短路檢測(cè)功能。模擬信號(hào)隔離器提供逆變器總線電壓隔離，該信號(hào)由嵌入式采樣ADC捕獲。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，但帶有插補(bǔ)電路的更高分辨率編碼器通常使用高速串行接口按需傳輸位置和速度信息。

圖3.采用隔離式控制架構(gòu)的雙軸電機(jī)控制系統(tǒng)，采用ADSP-CM408混合信號(hào)ASP和隔離式調(diào)制器AD7403。

上一示例中的實(shí)時(shí)（RT）以太網(wǎng)接口由FPGA電路提供，以支持自動(dòng)化市場(chǎng)中的多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所需的靈活性。FPGA 管理來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，而控制處理器具有支持堆棧管理的帶寬和內(nèi)存。其中許多協(xié)議支持抖動(dòng)規(guī)格低于1 μs的同步實(shí)時(shí)控制，這給通信接口帶來(lái)了非常沉重的處理負(fù)擔(dān)。如前所述，在現(xiàn)代自動(dòng)化加工系統(tǒng)中提供高生產(chǎn)率和成品質(zhì)量時(shí)，這種對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器同步的要求與伺服驅(qū)動(dòng)器性能同樣重要。自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)新興趨勢(shì)是使用單個(gè)處理器控制兩個(gè)或三個(gè)伺服電機(jī)，并依賴于單個(gè)實(shí)時(shí)通信接口。ADSP-CM408等高速專用信號(hào)處理器（ASSP）支持了這一點(diǎn)，該處理器包括一個(gè)高速浮點(diǎn)內(nèi)核和多組電機(jī)控制和通信外設(shè)。

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的這種廣泛的架構(gòu)突顯了這樣一個(gè)事實(shí)，即許多重要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)仍然存在。隨著控制處理和傳感器反饋信號(hào)帶寬的可用性，自動(dòng)化行業(yè)對(duì)更高精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求也在增加。新材料、傳感器、控制和通信電路架構(gòu)，甚至更多的算法和軟件，可能會(huì)繼續(xù)滿足自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)更高生產(chǎn)率和更好質(zhì)量的需求。

審核編輯：郭婷