自動(dòng)化精密制造業(yè)推動(dòng)了當(dāng)下許多高科技設(shè)備的發(fā)展與普及。現(xiàn)代手機(jī)經(jīng)歷了復(fù)雜的金屬加工過程和良好的表面處理，生成制造機(jī)械部件所需的模具。手機(jī)里這些微小卻功能強(qiáng)大的電子部件則依賴自動(dòng)化IC晶片加工和精密導(dǎo)線焊接設(shè)備。大型設(shè)備通常要求高精度和高光潔度。以現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其依靠平衡和精確匹配的渦輪葉片實(shí)現(xiàn)高燃油效率和低噪音的操作。汽車引擎燃油效率的提升則是通過先進(jìn)的電子控制和復(fù)雜形狀的精密發(fā)動(dòng)機(jī)部件來優(yōu)化燃燒過程。

銑床形狀金屬通過移動(dòng)刀具，在預(yù)定義的路徑通過高速旋轉(zhuǎn)來切斷材料固體塊。精密機(jī)械加工是一個(gè)多步驟的過程，包括在多次細(xì)切之后，進(jìn)行第一次粗切，以達(dá)到預(yù)期的效果。多電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)主軸和多個(gè)導(dǎo)螺桿，以固定刀具頭的位置。電機(jī)位置和調(diào)速驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力和剛度（甩負(fù)荷）設(shè)置了最大的切削速度，以支持特定的表面光潔度精度。因此，通過較高的切削率或較低的切削次數(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能將直接影響銑削過程中的效率。通過為每個(gè)操作篩選最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，及將切削工具變更的時(shí)間最小化，生產(chǎn)和能效將達(dá)到最優(yōu)。產(chǎn)品質(zhì)量取決于導(dǎo)螺桿的準(zhǔn)確性及電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的位置和速度控制。最新的銑床有五個(gè)或多個(gè)控制軸，支持復(fù)雜形狀的創(chuàng)建，且工件安裝操作的次數(shù)最少。高容量生產(chǎn)線使用的專用加工中心包括更多的伺服驅(qū)動(dòng)器，以支持多個(gè)并行的金屬加工操作及機(jī)器人功能，使這個(gè)過程完全自動(dòng)化。機(jī)械設(shè)計(jì)者所面臨的挑戰(zhàn)是同步操作及多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，在保持產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，使加工量達(dá)到最大。

精密運(yùn)動(dòng)控制

圖1描述了控制現(xiàn)代工廠中使用的自動(dòng)化機(jī)器的各種元素。中央數(shù)字控制器(CNC)或可編程序邏輯控制器(PLC)控制機(jī)器的運(yùn)行，并為機(jī)器的每個(gè)伺服電機(jī)軸生成運(yùn)動(dòng)軌跡。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器包括多個(gè)控制回路，以管理機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力、電磁轉(zhuǎn)矩生產(chǎn)和電路動(dòng)力。這些控制元素的性能對(duì)機(jī)器的吞吐量和質(zhì)量都至關(guān)重要。計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)工具為加工操作生成運(yùn)動(dòng)軌跡，而這是創(chuàng)建基于產(chǎn)品圖紙、材料特性、機(jī)器和工具的最終產(chǎn)品所需要的。隨后，自動(dòng)化機(jī)器會(huì)執(zhí)行這些軌跡來生成產(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)的控制循環(huán)。CNC將機(jī)器空間(x、y和z)的運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換成(θ or ω)每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算導(dǎo)螺桿的傳動(dòng)裝置，將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡都由一組位置或速度時(shí)間來定義。軸之間的時(shí)間同步非常關(guān)鍵，因?yàn)橛?jì)時(shí)錯(cuò)誤產(chǎn)生的影響等同于軸上的位置和速度誤差產(chǎn)生的影響。

伺服驅(qū)動(dòng)器速度回路的功能是計(jì)算所需的電機(jī)扭矩(T)，以緊跟目標(biāo)速度剖面的需求。最終產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量取決于機(jī)器在目標(biāo)路徑上對(duì)刀具精確的引導(dǎo)。加工操作所面臨的挑戰(zhàn)在于，金屬切削過程是不連續(xù)的，因?yàn)椴牧蠒?huì)在芯片上脫落，因此伺服驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載變化迅速。在切削操作過程中，速度環(huán)必須保持恒定的速度，并在刀具變化操作過程中快速響應(yīng)速度指令。低速度的控制質(zhì)量極度依賴位置反饋的分辨率，因?yàn)樾枰粋€(gè)高采樣率差值來產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)的速度信號(hào)。機(jī)床驅(qū)動(dòng)器的精密編碼器則使用快速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，在編碼器計(jì)數(shù)之間插入插值，從而提供更高的分辨率。例如，一個(gè)4096行的編碼器，使用簡(jiǎn)單的數(shù)字接口，便可提供14位/轉(zhuǎn)速的位置分辨率，但使用插值可以擴(kuò)展到至少22位/轉(zhuǎn)速。增加到22位的位置分辨率支持4位速度分辨率，且為1RPM，4 kHz采樣率；而4位速度分辨率在60 RPM中，采樣率僅為1 kHz。

永磁同步交流伺服電機(jī)的高效和高動(dòng)態(tài)力矩生產(chǎn)要求正弦定子電流與轉(zhuǎn)子磁角位置保持一致，如圖2所示。電流和磁場(chǎng)調(diào)整控制確保電機(jī)扭矩滿足速度環(huán)的動(dòng)態(tài)要求。PWM和逆變器反饋隔離塊包含在電路控制功能中。三相功率逆變器將所需電壓應(yīng)用于電機(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)量與高電壓逆變器分離，并向現(xiàn)場(chǎng)校正塊提供反饋信號(hào)。當(dāng)前反饋的精度定義了轉(zhuǎn)矩生產(chǎn)的質(zhì)量，因?yàn)榉答伒脑鲆?、偏移量或非線性誤差產(chǎn)生的波紋扭矩，是對(duì)速度控制器的負(fù)載擾動(dòng)。在一些精密伺服驅(qū)動(dòng)中，一個(gè)附加的回路也補(bǔ)償了伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，這是由定子線圈和轉(zhuǎn)子磁體之間的相互作用所產(chǎn)生的。所有這些都提升了電機(jī)的低速性能，最終提高了成品的精度和表面質(zhì)量。

驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

如前所述，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能由多個(gè)元素定義，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。面對(duì)驅(qū)動(dòng)性能、靈活性和成本不斷增長(zhǎng)的需求，以及模擬和數(shù)字電子控制組件的發(fā)展，控制架構(gòu)一直在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)基于模擬電路的伺服控制已經(jīng)被使用嵌入式處理器的數(shù)字控制所取代。另外，來自CNC的速度指令信號(hào)曾是一個(gè)精確的模擬信號(hào)，現(xiàn)在是作為實(shí)時(shí)(RT)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。因此，現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括了一個(gè)通訊接口及控制和電源電路。

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，目前的電路設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)是，要將高壓電源電路從用戶的連接控制和通信電路中隔離出來。有一種通用的架構(gòu)簡(jiǎn)化了逆變器信號(hào)隔離，其在電源電路和控制處理器中進(jìn)行直接連接，且在控制處理器和通信接口之間有一個(gè)隔離屏障。另一種針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序的常見架構(gòu)則在電源級(jí)和控制處理器之間設(shè)置了安全隔離，其與通信接口有直接連接。還有一種不太常見的架構(gòu)是，在電源、控制和通信之間分割安全隔離墻。這就降低了每個(gè)隔離層的隔離標(biāo)準(zhǔn)要求，并可能減小了系統(tǒng)的總體規(guī)模。

使用隔離控制架構(gòu)的例子(圖3)展示了來自控制處理器的逆變器門驅(qū)動(dòng)、電壓反饋和電機(jī)電流反饋信號(hào)的隔離，但其與位置反饋傳感器和用戶以及通信接口進(jìn)行了直接連接。該架構(gòu)不僅為控制電路提供了安全隔離，還杜絕了高電壓開關(guān)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的Σ-Δ調(diào)制器生成，它們可以增益匹配，且偏移量極低、線性度極高?？刂铺幚砥魃峡删幊痰膕inc3過濾器完成了當(dāng)前的反饋信號(hào)路徑，還包括輸出短路檢測(cè)功能。模擬信號(hào)隔離器提供逆變總線電壓隔離，且該信號(hào)由嵌入式采樣ADC捕捉?？刂铺幚砥魃系乃木€編碼器外設(shè)(QEP)支持簡(jiǎn)單的數(shù)字編碼器接口，但具有插值電路的高分辨率編碼器通常使用高速串行接口來傳輸位置和速度信息。

圖2：雙相永磁交流電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)校正

圖3：具有隔離控制架構(gòu)的雙軸電機(jī)控制系統(tǒng)，使用ADSP-CM408混合信號(hào)ASP和AD7403隔離調(diào)制器

在上一個(gè)例子中，實(shí)時(shí)(RT)以太網(wǎng)接口是由FPGA電路提供，以確保在自動(dòng)化市場(chǎng)環(huán)境中支持多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所需的靈活性。FPGA管理來自網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，而控制處理器的帶寬和內(nèi)存可以支持堆棧管理。許多協(xié)議都支持1us以下的同步實(shí)時(shí)控制，這對(duì)通信接口來說是非常沉重的負(fù)擔(dān)。正如前所述，這種對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器同步的需求，在現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)械加工系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和成品質(zhì)量時(shí)，與伺服驅(qū)動(dòng)性能一樣重要。自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)新興趨勢(shì)是，使用單一處理器控制兩到三個(gè)伺服電機(jī)，并依賴于單一的實(shí)時(shí)通信接口。目前，這得到了高速應(yīng)用程序特定信號(hào)處理器(ASSP)的支持，如ADSP-CM408，它包含了一個(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)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序中架構(gòu)的多樣性也強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)，即許多重要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然存在挑戰(zhàn)。由于控制處理和傳感器反饋信號(hào)帶寬的可用性，自動(dòng)化工業(yè)對(duì)更高精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求也在增加。新的材料、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)滿足更高生產(chǎn)率和更高質(zhì)量的自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。