編碼器怎樣在多軸伺服控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步精密運(yùn)動(dòng)？

自動(dòng)化制造推動(dòng)了目前許多高科技儀器的發(fā)展和廣泛使用。 時(shí)尚美觀的手機(jī)依賴于復(fù)雜的金屬加工技術(shù)和精細(xì)的表面處理能力，生產(chǎn)制造機(jī)械零件所需的芯片和模具。 手機(jī)中小型強(qiáng)力電子器件的生產(chǎn)依賴于自動(dòng)化IC晶片處理和精密引線接合設(shè)備。 大型設(shè)備同樣需要高精度和高質(zhì)量的表面處理。 例如，現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)依賴于精密匹配精細(xì)平衡的渦輪葉片，實(shí)現(xiàn)了高油耗和安靜的工作。 先進(jìn)的電控和復(fù)雜形狀的精密發(fā)動(dòng)機(jī)部件可以優(yōu)化燃燒過(guò)程，提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

銑床沿著規(guī)定的路徑移動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的切割工具，切削固體金屬塊生產(chǎn)金屬制品零件。 精密加工是一個(gè)多階段的過(guò)程，可以先進(jìn)行粗糙的切削，然后經(jīng)過(guò)多次細(xì)致的切削來(lái)滿足要求。 多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給主軸和多個(gè)螺釘定位刀具頭。 電機(jī)的位置和速度伺服驅(qū)動(dòng)器的功率和剛性決定了支持特定表面處理精度水平的zui大切削速度。 因此，高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以提高切削速度，減少切削次數(shù)，直接影響銑削工藝的效率。 通過(guò)為每個(gè)操作選擇zui佳的運(yùn)動(dòng)方案，并將更換刀具的時(shí)間降至zui低，可以提高工作效率和能源效率。 生產(chǎn)質(zhì)量取決于絲杠的精度、電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的位置和速度控制。 zui新的銑床有5個(gè)以上的控制軸，能夠以zui小的工件設(shè)定操作次數(shù)加工復(fù)雜的形狀。 用于大批量生產(chǎn)線的專用加工中心包括更多的伺服驅(qū)動(dòng)器，支持多種金屬加工的并聯(lián)操作和類機(jī)器人功能，完全自動(dòng)化加工過(guò)程。 機(jī)械設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是使多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸的操作和運(yùn)動(dòng)方案同步，在保持產(chǎn)品質(zhì)量不變的同時(shí)，使機(jī)械的吞吐量效率zui大化。

精密運(yùn)動(dòng)控制

控制現(xiàn)代工廠中使用的自動(dòng)化設(shè)備的各種設(shè)備如圖1所示。 中央數(shù)字控制器(CNC  )或可編程邏輯控制器(PLC  )管理機(jī)械的操作，并按機(jī)械內(nèi)的伺服電機(jī)軸生成運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)劃。 各伺服驅(qū)動(dòng)器包括用于管理機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、電磁轉(zhuǎn)矩生成、電路的動(dòng)態(tài)特性的多個(gè)控制環(huán)路。 各控制設(shè)備的性能對(duì)機(jī)械的吞吐量效率和表面處理質(zhì)量很重要。 計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM  )工具根據(jù)產(chǎn)品圖紙、材料特性、機(jī)械和刀具能力，生成產(chǎn)品所需的機(jī)械加工操作組合運(yùn)動(dòng)方案。 然后，自動(dòng)化機(jī)器執(zhí)行這些方案來(lái)制造產(chǎn)品。

圖1 .自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)

如何實(shí)現(xiàn)同步

如何在多軸伺服控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步精密運(yùn)動(dòng)？ 完整的機(jī)械控制功能包括多個(gè)級(jí)聯(lián)控制環(huán)路。 CNC考慮將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的螺紋機(jī)構(gòu)，將機(jī)械空間(x、y、z  )的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為各電動(dòng)機(jī)軸的(或)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 每個(gè)運(yùn)動(dòng)配置都由時(shí)間內(nèi)的位置或速度集合定義。 軸之間的定時(shí)同步非常重要，因?yàn)槎〞r(shí)誤差對(duì)一個(gè)軸的影響與位置和速度誤差相同。伺服驅(qū)動(dòng)速度環(huán)的功能是計(jì)算追隨目標(biāo)速度曲線所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令(T* )。 精加工的精度和表面質(zhì)量取決于機(jī)器能否準(zhǔn)確地沿著目標(biāo)路徑移動(dòng)切削刀具。 機(jī)械加工的難題是金屬切削工藝不連續(xù)。 由于材料會(huì)作為碎片脫落，伺服驅(qū)動(dòng)負(fù)荷也會(huì)迅速變化。 速度環(huán)須不受負(fù)荷變動(dòng)的影響，在切削操作中維持一定的速度，在刀具更換操作中能夠迅速響應(yīng)速度指令。 低速時(shí)控制質(zhì)量的高低取決于位置反饋的分辨率。 由于需要高采樣率微分器，因此會(huì)生成高動(dòng)態(tài)速度信號(hào)。 用于機(jī)床驅(qū)動(dòng)的精密編碼器使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在編碼器計(jì)數(shù)之間進(jìn)行插值，提供更高的分辨率。 例如，4096行編碼器采用簡(jiǎn)單的數(shù)字接口時(shí)，將提供14/轉(zhuǎn)的位置分辨率。 采用插補(bǔ)方式時(shí)，其分辨率至少22位/旋轉(zhuǎn)位置分辨率提高到22位后，在4位速度分辨率和1 RPM的條件下可以達(dá)到4 kHz。 以前在4位速度分辨率和60 RPM的條件下，采樣率只有1 kHz。

圖2 .兩相永磁交流電機(jī)的磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)

對(duì)于永磁交流伺服電機(jī)，為了高動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，要求如圖2所示，正弦定子電流與轉(zhuǎn)子磁鐵角位置一致。 電流和磁場(chǎng)的對(duì)位控制，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足速度環(huán)的動(dòng)態(tài)要求。 PWM和逆變器反饋隔離模塊包含在電路控制功能中。 三相電力變換器向電動(dòng)機(jī)繞組施加必要的電壓，驅(qū)動(dòng)目標(biāo)繞組電流。 電流反饋功能將繞組電流測(cè)量和高壓逆變器隔離，向磁場(chǎng)定向模塊提供反饋信號(hào)。 電流反饋的精度決定了轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的質(zhì)量。 由于反饋中的增益、失調(diào)或非線性誤差，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，表現(xiàn)為對(duì)速度控制器的負(fù)載干擾。 在部分精密伺服驅(qū)動(dòng)中，還存在補(bǔ)償定子線圈槽和轉(zhuǎn)子磁鐵相互作用引起的伺服電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的附加環(huán)。 所有這些都可以改善電機(jī)的低速性能，zui終提高成品的精度和表面質(zhì)量。

主要驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)

如上所述，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能由控制架構(gòu)、電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、電力電路、反饋傳感器、控制處理器等各個(gè)方面決定。 面對(duì)日益提高的驅(qū)動(dòng)性能、靈活性和成本要求，以及模擬和數(shù)字電控組件的進(jìn)步，控制體系結(jié)構(gòu)正在發(fā)展。 基于模擬電路的以往的伺服控制已被使用嵌入式處理器的數(shù)字控制所代替。 另外，CNC的速度指令信號(hào)原本是精密模擬信號(hào)，現(xiàn)在通過(guò)實(shí)時(shí)(RT  )產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包。 因此，現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除了控制和電力電路外，還包括通信接口。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中始終存在的電路設(shè)計(jì)難題是如何安全地隔離高壓電力電路和用戶連接的控制和通信電路有降低變頻器信號(hào)分離困難的常用架構(gòu)。 也就是說(shuō)，直接連接電力電路和控制處理器的接地，在控制處理器和通信接口之間使用隔離門(mén)。 伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的更常見(jiàn)的體系結(jié)構(gòu)選擇是在功率電平和控制處理器之間配置安全保護(hù)門(mén)，將控制處理器和通信接口直接連接起來(lái)。 另一個(gè)常見(jiàn)的體系結(jié)構(gòu)是將安全門(mén)分布在電力、控制和通信之間。 這樣可以減少各分離門(mén)的分離標(biāo)準(zhǔn)要求，縮小系統(tǒng)整體的大小。

圖3 .采用絕緣式控制體系結(jié)構(gòu)的雙軸電機(jī)控制系統(tǒng)

圖3示出了使用ADSP-CM408混合信號(hào)ASP和AD7403隔離調(diào)制器的隔離控制架構(gòu)的示例。 其中，逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)、電壓反饋和電機(jī)電流反饋信號(hào)與控制處理器隔離，但直接連接位置反饋傳感器、用戶和通信接口。 該架構(gòu)不僅可以為控制電路提供安全的隔離，還可以抑制高壓開(kāi)關(guān)電源逆變器產(chǎn)生的電路噪聲。 電機(jī)電流反饋由繞組分流和隔離-調(diào)制器產(chǎn)生，這些調(diào)制器提供增益匹配、非常低的失調(diào)、非常高的線性度。 完整的電流反饋信號(hào)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(cè)功能。 模擬信號(hào)隔離器提供逆變器總線的電壓分離，該信號(hào)由嵌入式采樣ADC得到。 控制處理器上的四象限(qep  )支持簡(jiǎn)單的數(shù)字編碼器接口，但具有插值電路的更高分辨率編碼器可以根據(jù)需要使用高速串行接口來(lái)傳輸位置和速度信息

上例中的RT  (實(shí)時(shí))以太網(wǎng)接口由FPGA電路提供，可以靈活地支持自動(dòng)化市場(chǎng)上的各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 FPGA管理來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)分組，控制處理器具備帶寬和存儲(chǔ)器，支持協(xié)議棧的管理。 許多這樣的協(xié)議支持抖動(dòng)要求小于1 s的同步實(shí)時(shí)控制，給通信接口帶來(lái)了非常重的處理負(fù)荷。 如上所述，這種對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)同步的要求與伺服驅(qū)動(dòng)性能同樣重要。 在現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)械系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和高質(zhì)量的產(chǎn)品，這兩者是不可缺少的。 自動(dòng)化系統(tǒng)的新趨勢(shì)之一是使用單一的處理器控制2~3個(gè)伺服電機(jī)，依賴單一的實(shí)時(shí)通信接口。 目前，高速專用信號(hào)處理器(ASSP  )支持這種趨勢(shì)，如ADPS-CM408，包括高速浮點(diǎn)內(nèi)核、多組電機(jī)控制和通信外圍設(shè)備。

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用展示出的多種架構(gòu)強(qiáng)調(diào)了許多重要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課題依然存在隨著可用的控制處理和傳感器反饋信號(hào)帶寬的增加，自動(dòng)化行業(yè)要求更高精度和動(dòng)態(tài)的響應(yīng)。 新的材料、傳感器、控制、通信電路架構(gòu)，甚至更多的算法和軟件，很可能會(huì)繼續(xù)滿足自動(dòng)化生產(chǎn)行業(yè)更高的生產(chǎn)力和更高的質(zhì)量需求。

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