自動(dòng)化精密制造業(yè)推動(dòng)了當下許多高科技設備的發(fā)展與普及?，F代手機經(jīng)歷了復雜的金屬加工過(guò)程和良好的表面處理，生成制造機械部件所需的模具。手機里這些微小卻功能強大的電子部件則依賴(lài)自動(dòng)化IC晶片加工和精密導線(xiàn)焊接設備。大型設備通常要求高精度和高光潔度。以現代噴氣發(fā)動(dòng)機為例，其依靠平衡和精確匹配的渦輪葉片實(shí)現高燃油效率和低噪音的操作。汽車(chē)引擎燃油效率的提升則是通過(guò)先進(jìn)的電子控制和復雜形狀的精密發(fā)動(dòng)機部件來(lái)優(yōu)化燃燒過(guò)程。銑床形狀金屬通過(guò)移動(dòng)刀具，在預定義的路徑通過(guò)高速旋轉來(lái)切斷材料固體塊。精密機械加工是一個(gè)多步驟的過(guò)程，包括在多次細切之后，進(jìn)行第一次粗切，以達到預期的效果。多電機可以驅動(dòng)主軸和多個(gè)導螺桿，以固定刀具頭的位置。電機位置和調速驅動(dòng)的動(dòng)力和剛度（甩負荷）設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(guò)較高的切削率或較低的切削次數，電機驅動(dòng)性能將直接影響銑削過(guò)程中的效率。通過(guò)為每個(gè)操作篩選最優(yōu)的運動(dòng)軌跡，及將切削工具變更的時(shí)間最小化，生產(chǎn)和能效將達到最優(yōu)。產(chǎn)品質(zhì)量取決于導螺桿的準確性及電機驅動(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，支持復雜形狀的創(chuàng )建，且工件安裝操作的次數最少。高容量生產(chǎn)線(xiàn)使用的專(zhuān)用加工中心包括更多的伺服驅動(dòng)器，以支持多個(gè)并行的金屬加工操作及機器人功能，使這個(gè)過(guò)程完全自動(dòng)化。機械設計者所面臨的挑戰是同步操作及多個(gè)伺服驅動(dòng)軸的運動(dòng)軌跡，在保持產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，使加工量達到最大。精密運動(dòng)控制圖1描述了控制現代工廠(chǎng)中使用的自動(dòng)化機器的各種元素。中央數字控制器(CNC)或可編程序邏輯控制器(PLC)控制機器的運行，并為機器的每個(gè)伺服電機軸生成運動(dòng)軌跡。每個(gè)伺服驅動(dòng)器包括多個(gè)控制回路，以管理機械系統動(dòng)力、電磁轉矩生產(chǎn)和電路動(dòng)力。這些控制元素的性能對機器的吞吐量和質(zhì)量都至關(guān)重要。計算機輔助制造(CAM)工具為加工操作生成運動(dòng)軌跡，而這是創(chuàng )建基于產(chǎn)品圖紙、材料特性、機器和工具的最終產(chǎn)品所需要的。隨后，自動(dòng)化機器會(huì )執行這些軌跡來(lái)生成產(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)的控制循環(huán)。CNC將機器空間(x、y和z)的運動(dòng)軌跡轉換成(θ or ω)每個(gè)運動(dòng)軸的運動(dòng)軌跡，計算導螺桿的傳動(dòng)裝置，將旋轉轉換成直線(xiàn)運動(dòng)。每個(gè)運動(dòng)軌跡都由一組位置或速度時(shí)間來(lái)定義。軸之間的時(shí)間同步非常關(guān)鍵，因為計時(shí)錯誤產(chǎn)生的影響等同于軸上的位置和速度誤差產(chǎn)生的影響。伺服驅動(dòng)器速度回路的功能是計算所需的電機扭矩(T)，以緊跟目標速度剖面的需求。最終產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量取決于機器在目標路徑上對刀具精確的引導。加工操作所面臨的挑戰在于，金屬切削過(guò)程是不連續的，因為材料會(huì )在芯片上脫落，因此伺服驅動(dòng)器的負載變化迅速。在切削操作過(guò)程中，速度環(huán)必須保持恒定的速度，并在刀具變化操作過(guò)程中快速響應速度指令。低速度的控制質(zhì)量極度依賴(lài)位置反饋的分辨率，因為需要一個(gè)高采樣率差值來(lái)產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)的速度信號。機床驅動(dòng)器的精密編碼器則使用快速模擬數字轉換器，在編碼器計數之間插入插值，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)單的數字接口，便可提供14位/轉速的位置分辨率，但使用插值可以擴展到至少22位/轉速。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的高效和高動(dòng)態(tài)力矩生產(chǎn)要求正弦定子電流與轉子磁角位置保持一致，如圖2所示。電流和磁場(chǎng)調整控制確保電機扭矩滿(mǎn)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用于電機繞組，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電壓逆變器分離，并向現場(chǎng)校正塊提供反饋信號。當前反饋的精度定義了轉矩生產(chǎn)的質(zhì)量，因為反饋的增益、偏移量或非線(xiàn)性誤差產(chǎn)生的波紋扭矩，是對速度控制器的負載擾動(dòng)。在一些精密伺服驅動(dòng)中，一個(gè)附加的回路也補償了伺服電機內部的轉矩波動(dòng)，這是由定子線(xiàn)圈和轉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的低速性能，最終提高了成品的精度和表面質(zhì)量。驅動(dòng)架構如前所述，驅動(dòng)系統性能由多個(gè)元素定義，如控制架構、電機設計、電源電路、反饋傳感器和控制處理器。面對驅動(dòng)性能、靈活性和成本不斷增長(cháng)的需求，以及模擬和數字電子控制組件的發(fā)展，控制架構一直在不斷發(fā)展。傳統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字控制所取代。另外，來(lái)自CNC的速度指令信號曾是一個(gè)精確的模擬信號，現在是作為實(shí)時(shí)(RT)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )數據包進(jìn)行傳輸。因此，現代伺服驅動(dòng)系統包括了一個(gè)通訊接口及控制和電源電路。在驅動(dòng)系統中，目前的電路設計所面臨的挑戰是，要將高壓電源電路從用戶(hù)的連接控制和通信電路中隔離出來(lái)。有一種通用的架構簡(jiǎn)化了逆變器信號隔離，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。另一種針對伺服驅動(dòng)應用程序的常見(jiàn)架構則在電源級和控制處理器之間設置了安全隔離，其與通信接口有直接連接。還有一種不太常見(jiàn)的架構是，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)隔離層的隔離標準要求，并可能減小了系統的總體規模。使用隔離控制架構的例子(圖3)展示了來(lái)自控制處理器的逆變器門(mén)驅動(dòng)、電壓反饋和電機電流反饋信號的隔離，但其與位置反饋傳感器和用戶(hù)以及通信接口進(jìn)行了直接連接。該架構不僅為控制電路提供了安全隔離，還杜絕了高電壓開(kāi)關(guān)逆變器產(chǎn)生的電路噪聲。電機電流反饋由繞組分流器和隔離的Σ-Δ調制器生成，它們可以增益匹配，且偏移量極低、線(xiàn)性度極高?？刂铺幚砥魃峡删幊痰膕inc3過(guò)濾器完成了當前的反饋信號路徑，還包括輸出短路檢測功能。模擬信號隔離器提供逆變總線(xiàn)電壓隔離，且該信號由嵌入式采樣ADC捕捉?？刂铺幚砥魃系乃木€(xiàn)編碼器外設(QEP)支持簡(jiǎn)單的數字編碼器接口，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(lái)傳輸位置和速度信息。
圖3：具有隔離控制架構的雙軸電機控制系統，使用ADSP-CM408混合信號ASP和AD7403隔離調制器 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(lái)自網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)數據包，而控制處理器的帶寬和內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，這對通信接口來(lái)說(shuō)是非常沉重的負擔。正如前所述，這種對伺服驅動(dòng)器同步的需求，在現代自動(dòng)化機械加工系統中實(shí)現高生產(chǎn)率和成品質(zhì)量時(shí)，與伺服驅動(dòng)性能一樣重要。自動(dòng)化系統的一個(gè)新興趨勢是，使用單一處理器控制兩到三個(gè)伺服電機，并依賴(lài)于單一的實(shí)時(shí)通信接口。目前，這得到了高速應用程序特定信號處理器(ASSP)的支持，如ADSP-CM408，它包含了一個(gè)高速浮點(diǎn)內核和多組電機控制和通信外設。工業(yè)驅動(dòng)應用程序中架構的多樣性也強調了一個(gè)事實(shí)，即許多重要的電機驅動(dòng)系統設計仍然存在挑戰。由于控制處理和傳感器反饋信號帶寬的可用性，自動(dòng)化工業(yè)對更高精度和動(dòng)態(tài)響應的需求也在增加。新的材料、傳感器、控制和通信電路架構，甚至更多的算法和軟件，可能會(huì )繼續滿(mǎn)足更高生產(chǎn)率和更高質(zhì)量的自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。聲明：本文為轉載類(lèi)文章，如涉及版權問(wèn)題，請及時(shí)聯(lián)系我們刪除（QQ: 229085487），不便之處，敬請諒解！
