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直线伺服驱动器前沿技术与发展趋势

时间:2022-04-21 15:21:43来源:中国传动网

导语:​在近期举办的中国运动控制/ 直驱技术产业发展高峰论坛上,高创传动科技开发(深圳)有限公司技术经理宋宁一发表题为《直线伺服驱动器前沿技术与发展趋势》的演讲,深入介绍直驱技术特点及控制难点,分享了高创直驱产品的行业应用经验。

  当前直驱电机的应用越来越广泛,特别是在高精度、高速度要求的场景,对直线电机的需求都非常高,市场每年都会有很大的增长,同时直驱电机的制造成本也在持续下降。 

  1 直驱电机优缺点

  直驱电机跟传统丝杆模组相比有以下一些应用优点:

  • 运动速度快;

  • 摩擦力较小;

  • 系统刚性强,机器的负载可以直接连接在电机动子或转子上;

  • 结构简单,传统的伺服为了提高它的精度通常需要加第二编码器,对于直驱电机来讲,一个编码器即可实现它的高精度,避免提高精度而使用第二编码器,同时它的运行时间更长;

  • 精度高,寿命长。

必威体育app下载  但另一方面,直驱电机也存在一定的“短板”:

  • 成本较高,需要直线导轨;

必威体育app下载  • 摩擦力小,需要更好的算法来计算控制精度;

  • 需要更高增益及抑制振动算法支持;

  • 整定时间要求高;

必威体育app下载  • 需要高分辨率及高精度编码器。

必威体育app下载  总体来看,目前典型的直驱电机应用场景包括:半导体设备、检测设备、AOI或者视觉检测等领域需要的高精度控制应用;以及焊线机、平板显示、3C电子、CNC机床、光伏、高速搬运等应用领域。

  2 直驱电机控制要求及难度

必威体育app下载  直驱电机对于控制系统的技术开发提出了较高的要求,大致上包括以下几点:

  • 由于高速要求,整定时间短(例如焊线机的应用上),所以控制上一定要在最短的时间内让电机整定下来;

  • 在一些激光加工或者检测领域,要求运行过程特别平稳,不管是速度的波动还是运行的位置误差都要求较高;

必威体育app下载  • 针对一些特殊的场景,例如激光或者视觉检测,则需要具备位置触发输出功能,随着结构越做越大,例如龙门架构,需要两个轴带动同一个平台,因此在驱动器控制上要实现龙门传动的功能;

  • 针对以上要求,高创CDHD2开发出了一些对应算法来适应这些应用场景需求,包括非线性HD控制和基于频域线性响应的HDM控制。

  3 HD控制方式

必威体育app下载  传统的控制方案一般是串行结构,包括电流环、速度环和位置环的三环串行结构,这些控制方式有一些固有的误差难以避免,增加前馈的时候会增加它的超调和整定时间。为此,高创把速度环和位置环合二为一,形成了非线性的控制。速度环与位置环的合二为一通过增益矩阵的方式来自动适应误差,根据系统的误差和速度来调整增益,实现最小的阻尼,最小的跟踪误差,达到最好的整定效果。

必威体育app下载  直驱电机在高速运动时,不可避免会造成抖动的现象,闭环抑制震动,发生初期就要响应抑制它的震动,还有主动阻尼来尽量减少它的震动发生。

  4 HDM控制方式

必威体育app下载  针对一些复杂的控制场景,比如CNC、激光等领域,通常对于过程中的要求比较高,机台的共振点和机械特性都可能不太一致,基于这样的情况开发了HDM的控制方式,该控制方式基于多项式的线性控制方式和频率响应进行自动调试。

  第一步,对机台系统进行扫频:给机台系统注入扫频电流白噪声,设置它的扫频范围。通过频率响应就可以得到整个机台或者机器的带宽,同时得到它开环的波特图,

  上面是它的幅值,下面是它的相位,得到整个控制上的频率响应。图1为扫频后的波特图。

扫频后的波特图.png

图 1 扫频后的波特图


  第二步,建模(FIT Model):根据这个频率响应可以看到系统不同的共振点,就需要软件来拟合,把实际响应用算法曲线来进行拟合,得到系统机械上的一个模型。然后设置共振点,根据共振点设置零极点数目,可以得到拟合后的曲线。拟合后的曲线如图2所示。

拟合后的曲线.png

  图 2 拟合后的曲线

  第三步,自动生成控制参数:根据拟合后的曲线,一键生成对应控制参数,包括自动添加相应滤波器,然后根据闭环特性及实际效果进行微调,从而得到最好或者最优化的控制。调试时应尽量避免不稳定的区域,既要提高稳定性,又需提高带宽。

  5 龙门控制系统

  随着控制的发展,负载量增大,在很多场景涉及到越来越多龙门的控制方式,针对这样的情况,高创提出了龙门控制的方式,采用双轴交叉耦合的方式,一个轴作为主轴,控制两个电机的前进和后退,另外一个轴作为从轴, 同时监控两个轴的偏差,根据偏差实时调整,输出给两个轴不同的电流,实现两个轴的同步,两个轴的通信是采用10MB/S的通信速率。

高创龙门系统的功能特点包括:

  • 两轴同步;

必威体育app下载  • 减少30%电流输出;

  • 支持柔性和刚性龙门。

       6 误差补偿功能

必威体育app下载  在直线电机行业,定位精度一般易于达到,提高其绝对精度要有补偿,高创驱动内置误差补偿表,支持直线和旋转电机补偿,可补偿点位达1000 多个,同时可采用激光提供补偿值,能极大地提高直线电机定位精度,满足客户高精度场景需求。

必威体育app下载  目前行业内对于这一技术领域的探讨还没有停止, 高创也一直在探索未来的发展变化。

  7 高创产品应用

  客户的市场变化对工控企业的需求越来越高,要求产品易用、精度高、稳定性好。同时客户和市场的时刻变化导致产品种类更新也越来越快,我们的产品需要不断适应客户的需求,技术也要不断进行迭代升级。

  在机器人领域直驱电机已有广泛应用,这对我们提出了更高的要求,例如机器人的抖动是无法一直抑制的,对于机器人行业,我们一直在思考如何优化控制方式。

必威体育app下载  环线是另一个比较好的方式,这个控制方式与之前的模组电机不太一样,之前运动的部分是线圈,磁铁是定子,上面是磁铁在运动,下面的线圈是固定的。针对这样的情况需要驱动器、控制器和编码器整合到一起,实时监控上面运动部分的位置来达到一个很好的控制,上面定子在走的时候,下面要分别控制它不同线圈的显示模式。所以未来的趋势是,更强大的驱动器和控制器将会越来越融合,对于这种自动调试的要求越来越高,可以帮助客户更好地使用我们的设备。

  如果使用驱控一体的方式,稳定性更好,会避免一些接线和干扰造成的不稳定因素。同时,驱动器未来会有丰富的第三方接口,包括跟视觉及其他第三方的应用来进行通讯。未来这种系统驱动一体类似子系统的嵌入式,外设就可以完成运动控制的部分。

  此外,随着工业4 .0 的发展,所有的设备要进入云端,未来的驱动器和控制器也会推出OPC- UA的云端标准,工控黄金十年,需要行业共同创造。


标签: 直驱电机伺服驱动器

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