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        直線伺服驅動器前沿技術與發展趨勢

        時間:2022-04-21 15:21:43來源:中國傳動網

        導語:?在近期舉辦的中國運動控制/ 直驅技術產業發展高峰論壇上,高創傳動科技開發(深圳)有限公司技術經理宋寧一發表題為《直線伺服驅動器前沿技術與發展趨勢》的演講,深入介紹直驅技術特點及控制難點,分享了高創直驅產品的行業應用經驗。

          當前直驅電機的應用越來越廣泛,特別是在高精度、高速度要求的場景,對直線電機的需求都非常高,市場每年都會有很大的增長,同時直驅電機的制造成本也在持續下降。 

          1 直驅電機優缺點

          直驅電機跟傳統絲桿模組相比有以下一些應用優點:

          ? 運動速度快;

          ? 摩擦力較小;

          ? 系統剛性強,機器的負載可以直接連接在電機動子或轉子上;

          ? 結構簡單,傳統的伺服為了提高它的精度通常需要加第二編碼器,對于直驅電機來講,一個編碼器即可實現它的高精度,避免提高精度而使用第二編碼器,同時它的運行時間更長;

          ? 精度高,壽命長。

          但另一方面,直驅電機也存在一定的“短板”:

          ? 成本較高,需要直線導軌;

          ? 摩擦力小,需要更好的算法來計算控制精度;

          ? 需要更高增益及抑制振動算法支持;

          ? 整定時間要求高;

          ? 需要高分辨率及高精度編碼器。

          總體來看,目前典型的直驅電機應用場景包括:半導體設備、檢測設備、AOI或者視覺檢測等領域需要的高精度控制應用;以及焊線機、平板顯示、3C電子、CNC機床、光伏、高速搬運等應用領域。

          2 直驅電機控制要求及難度

          直驅電機對于控制系統的技術開發提出了較高的要求,大致上包括以下幾點:

          ? 由于高速要求,整定時間短(例如焊線機的應用上),所以控制上一定要在最短的時間內讓電機整定下來;

          ? 在一些激光加工或者檢測領域,要求運行過程特別平穩,不管是速度的波動還是運行的位置誤差都要求較高;

          ? 針對一些特殊的場景,例如激光或者視覺檢測,則需要具備位置觸發輸出功能,隨著結構越做越大,例如龍門架構,需要兩個軸帶動同一個平臺,因此在驅動器控制上要實現龍門傳動的功能;

          ? 針對以上要求,高創CDHD2開發出了一些對應算法來適應這些應用場景需求,包括非線性HD控制和基于頻域線性響應的HDM控制。

          3 HD控制方式

          傳統的控制方案一般是串行結構,包括電流環、速度環和位置環的三環串行結構,這些控制方式有一些固有的誤差難以避免,增加前饋的時候會增加它的超調和整定時間。為此,高創把速度環和位置環合二為一,形成了非線性的控制。速度環與位置環的合二為一通過增益矩陣的方式來自動適應誤差,根據系統的誤差和速度來調整增益,實現最小的阻尼,最小的跟蹤誤差,達到最好的整定效果。

          直驅電機在高速運動時,不可避免會造成抖動的現象,閉環抑制震動,發生初期就要響應抑制它的震動,還有主動阻尼來盡量減少它的震動發生。

          4 HDM控制方式

          針對一些復雜的控制場景,比如CNC、激光等領域,通常對于過程中的要求比較高,機臺的共振點和機械特性都可能不太一致,基于這樣的情況開發了HDM的控制方式,該控制方式基于多項式的線性控制方式和頻率響應進行自動調試。

          第一步,對機臺系統進行掃頻:給機臺系統注入掃頻電流白噪聲,設置它的掃頻范圍。通過頻率響應就可以得到整個機臺或者機器的帶寬,同時得到它開環的波特圖,

          上面是它的幅值,下面是它的相位,得到整個控制上的頻率響應。圖1為掃頻后的波特圖。

        掃頻后的波特圖.png

        圖 1 掃頻后的波特圖


          第二步,建模(FIT Model):根據這個頻率響應可以看到系統不同的共振點,就需要軟件來擬合,把實際響應用算法曲線來進行擬合,得到系統機械上的一個模型。然后設置共振點,根據共振點設置零極點數目,可以得到擬合后的曲線。擬合后的曲線如圖2所示。

        擬合后的曲線.png

          圖 2 擬合后的曲線

          第三步,自動生成控制參數:根據擬合后的曲線,一鍵生成對應控制參數,包括自動添加相應濾波器,然后根據閉環特性及實際效果進行微調,從而得到最好或者最優化的控制。調試時應盡量避免不穩定的區域,既要提高穩定性,又需提高帶寬。

          5 龍門控制系統

          隨著控制的發展,負載量增大,在很多場景涉及到越來越多龍門的控制方式,針對這樣的情況,高創提出了龍門控制的方式,采用雙軸交叉耦合的方式,一個軸作為主軸,控制兩個電機的前進和后退,另外一個軸作為從軸, 同時監控兩個軸的偏差,根據偏差實時調整,輸出給兩個軸不同的電流,實現兩個軸的同步,兩個軸的通信是采用10MB/S的通信速率。

        高創龍門系統的功能特點包括:

          ? 兩軸同步;

          ? 減少30%電流輸出;

          ? 支持柔性和剛性龍門。

               6 誤差補償功能

          在直線電機行業,定位精度一般易于達到,提高其絕對精度要有補償,高創驅動內置誤差補償表,支持直線和旋轉電機補償,可補償點位達1000 多個,同時可采用激光提供補償值,能極大地提高直線電機定位精度,滿足客戶高精度場景需求。

          目前行業內對于這一技術領域的探討還沒有停止, 高創也一直在探索未來的發展變化。

          7 高創產品應用

          客戶的市場變化對工控企業的需求越來越高,要求產品易用、精度高、穩定性好。同時客戶和市場的時刻變化導致產品種類更新也越來越快,我們的產品需要不斷適應客戶的需求,技術也要不斷進行迭代升級。

          在機器人領域直驅電機已有廣泛應用,這對我們提出了更高的要求,例如機器人的抖動是無法一直抑制的,對于機器人行業,我們一直在思考如何優化控制方式。

          環線是另一個比較好的方式,這個控制方式與之前的模組電機不太一樣,之前運動的部分是線圈,磁鐵是定子,上面是磁鐵在運動,下面的線圈是固定的。針對這樣的情況需要驅動器、控制器和編碼器整合到一起,實時監控上面運動部分的位置來達到一個很好的控制,上面定子在走的時候,下面要分別控制它不同線圈的顯示模式。所以未來的趨勢是,更強大的驅動器和控制器將會越來越融合,對于這種自動調試的要求越來越高,可以幫助客戶更好地使用我們的設備。

          如果使用驅控一體的方式,穩定性更好,會避免一些接線和干擾造成的不穩定因素。同時,驅動器未來會有豐富的第三方接口,包括跟視覺及其他第三方的應用來進行通訊。未來這種系統驅動一體類似子系統的嵌入式,外設就可以完成運動控制的部分。

          此外,隨著工業4 .0 的發展,所有的設備要進入云端,未來的驅動器和控制器也會推出OPC- UA的云端標準,工控黃金十年,需要行業共同創造。


        標簽: 直驅電機伺服驅動器

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