銑床沿預定路徑移動(dòng)高速旋轉的切割工具，對固體金屬塊進(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)多道精細切削才能達到要求。多個(gè)電機驅動(dòng)進(jìn)給主軸和多個(gè)絲杠來(lái)定位工具頭。電機位置與速度伺服驅動(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，高性能電機驅動(dòng)器可提高切削速率或減少切削次數，從而直接影響到銑削過(guò)程效率。每次操作都選擇最佳運動(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驅動(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置操作次數加工出復雜的形狀。大批量生產(chǎn)線(xiàn)所用的專(zhuān)用加工中心甚至包括更多的伺服驅動(dòng)器，支持多個(gè)金屬加工并行操作和類(lèi)機器人功能，使加工過(guò)程實(shí)現完全自動(dòng)化。機器設計人員面臨的挑戰是如何讓多個(gè)伺服驅動(dòng)軸的操作和運動(dòng)方案同步，從而在維持產(chǎn)品質(zhì)量不變的同時(shí)，使機器吞吐效率最大化。

 

精密運動(dòng)控制

 

控制現代工廠(chǎng)所用自動(dòng)化機器的各種元件如圖1所示。中央數字控制器(CNC)或可編程邏輯控制器(PLC)管理機器操作，并且為機器中每個(gè)伺服電機軸產(chǎn)生運動(dòng)軌跡規劃。每個(gè)伺服驅動(dòng)器包括多個(gè)控制環(huán)路來(lái)管理機械系統動(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機器吞吐效率和表面處理質(zhì)量至關(guān)重要。計算機輔助制造(CAM)工具根據產(chǎn)品圖紙、材料特性、機器和刀具能力，產(chǎn)生成品所需的機加工操作組合運動(dòng)方案。然后，由自動(dòng)化機器執行這些方案來(lái)制造產(chǎn)品。

 

圖1. 自動(dòng)化機器控制系統

 

完整的機器控制功能包括多個(gè)級聯(lián)控制環(huán)路?？紤]絲杠(用于將旋轉轉變?yōu)榫€(xiàn)性運動(dòng))提供的傳動(dòng)裝置，CNC將機器空間(x、y和z)運動(dòng)配置轉換為每個(gè)電機軸的(θ或ω)運動(dòng)配置。每種運動(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，因為時(shí)序誤差對一個(gè)軸的影響與位置和速度誤差相同。

 

伺服驅動(dòng)速度環(huán)路的功能是計算跟隨目標速度曲線(xiàn)所需的電機扭矩指令(T*)。成品的精度和表面質(zhì)量取決于機器能否精確地引導切削工具沿目標路徑移動(dòng)。機加工操作的挑戰在于金屬切削過(guò)程是非連續的，因為材料以碎片形式脫落，因此，伺服驅動(dòng)負載也會(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載變化的影響，并且在刀具更換操作中能夠迅速響應速度指令。低速時(shí)的控制質(zhì)量高度取決于位置反饋的分辨率，因為需要高采樣速率微分器來(lái)產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)速度信號。

 

機床驅動(dòng)所用的精密編碼器采用快速模數轉換器在編碼器計數之間插值，以提供更高的分辨率。例如，一個(gè)4096線(xiàn)編碼器采用簡(jiǎn)單的數字接口時(shí)，可提供14位/轉的位置分辨率，而采用插值方法時(shí)，其分辨率至少可擴展至22位/轉。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子磁體角位置對齊，如圖2所示。電流和磁場(chǎng)對齊控制確保電機扭矩滿(mǎn)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繞組以驅動(dòng)目標繞組電流。電流反饋功能將繞組電流測量與高壓逆變器隔離，并向磁場(chǎng)對齊模塊提供反饋信號。電流反饋的精度決定扭矩產(chǎn)生的質(zhì)量，因為反饋中的增益、失調或非線(xiàn)性誤差會(huì )產(chǎn)生紋波扭矩，進(jìn)而表現為對速度控制器的負載干擾。在某些精密伺服驅動(dòng)中，有一個(gè)附加環(huán)路也會(huì )補償定子繞組線(xiàn)槽與轉子磁鐵相互作用所引起的伺服電機內部扭矩紋波。所有這些都能改善電機的低速性能，最終增強成品的精度和表面質(zhì)量。

 

驅動(dòng)架構

 

如上所述，驅動(dòng)系統性能由多個(gè)方面決定，例如控制架構、電機設計、功率電路、反饋傳感器和控制處理器。面對日益提高的驅動(dòng)性能、靈活性和成本要求，以及模擬和數字電子控制元件的進(jìn)步，控制架構在不斷發(fā)展?；谀M電路的傳統伺服控制已被使用嵌入式處理器的數字控制所取代。另外，CNC的速度指令信號原先是精密模擬信號，現已變?yōu)閿祿ㄟ^(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，現代伺服驅動(dòng)系統還包括通信接口。

 

驅動(dòng)系統永遠存在的電路設計挑戰是如何將高壓功率電路與用戶(hù)連接的控制和通信電路安全地隔離。有一個(gè)常見(jiàn)架構可降低逆變器信號隔離困難，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。伺服驅動(dòng)應用更常見(jiàn)的架構選擇是將安全隔離柵放在功率級與控制處理器之間，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，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)隔離柵的隔離標準要求，而且可以縮小系統的整體尺寸。

 

圖3顯示了一個(gè)隔離控制架構實(shí)例，其中逆變器柵極驅動(dòng)、電壓反饋和電機電流反饋信號與控制處理器相隔離，但直連位置反饋傳感器、用戶(hù)和通信接口。這種架構不僅為控制電路提供安全隔離，還能抑制高壓開(kāi)關(guān)電源逆變器所產(chǎn)生的電路噪聲。電機電流反饋由繞組分流器和隔離式Σ-Δ調制器產(chǎn)生，這些調制器提供增益匹配、非常低的失調和非常高的線(xiàn)性度。完整的電流反饋信號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功能。模擬信號隔離器提供逆變器總線(xiàn)電壓隔離，此信號由嵌入式采樣ADC獲得?？刂铺幚砥魃系恼痪幋a器外設(QEP)支持簡(jiǎn)單的數字編碼器接口，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 兩相永磁交流電機磁場(chǎng)對齊

 

圖3. 采用隔離式控制架構的雙軸電機控制系統，使用ADSP-CM408混合信號ASP和AD7403隔離式調制器

 

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)數據包，而控制處理器則具備帶寬和存儲器來(lái)支持協(xié)議棧的管理。許多此類(lèi)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)非常重的處理負擔。如前所述，這種對伺服驅動(dòng)同步的要求，與伺服驅動(dòng)性能一樣重要。在現代自動(dòng)化機加工系統中，為了實(shí)現高生產(chǎn)率和高質(zhì)量成品，以上二者不可或缺。自動(dòng)化系統的一個(gè)新興趨勢是利用單個(gè)處理器控制兩到三個(gè)伺服電機并依賴(lài)單個(gè)實(shí)時(shí)通信接口?，F在，高速專(zhuān)用信號處理器(ASSP)便支持這種趨勢，例如ADPS-CM408，其包括一個(gè)高速浮點(diǎn)內核和多組電機控制與通信外設。

 

工業(yè)電機驅動(dòng)應用展現出來(lái)的多種多樣的架構，突出說(shuō)明了許多重要的電機驅動(dòng)系統設計挑戰仍然存在這一事實(shí)。隨著(zhù)可用控制處理和傳感器反饋信號帶寬的增加，自動(dòng)化行業(yè)對更高精度和動(dòng)態(tài)響應的需求不斷提高。新材料、傳感器、控制、通信電路架構，甚至更多的算法和軟件，很可能會(huì )繼續滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)行業(yè)對更高生產(chǎn)率和更高質(zhì)量的需求。

 

參考文獻

 

Will Dalrymple，“高速移動(dòng)的機械。”Machinery.co.uk，第173卷，第4232期，2015年1月。

Ferrari C.B.，“無(wú)與倫比的精度。”運動(dòng)世界，第9卷，第2期，2010年。

 

 

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