编码器怎样在多轴伺服控制系统中实现同步精密运动？

自动化制造推动了目前许多高科技仪器的发展和广泛使用。 时尚美观的手机依赖于复杂的金属加工技术和精细的表面处理能力，生产制造机械零件所需的芯片和模具。 手机中小型强力电子器件的生产依赖于自动化IC晶片处理和精密引线接合设备。 大型设备同样需要高精度和高质量的表面处理。 例如，现代喷气发动机依赖于精密匹配精细平衡的涡轮叶片，实现了高油耗和安静的工作。 先进的电控和复杂形状的精密发动机部件可以优化燃烧过程，提高汽车发动机的燃油经济性。

铣床沿着规定的路径移动高速旋转的切割工具，切削固体金属块生产金属制品零件。 精密加工是一个多阶段的过程，可以先进行粗糙的切削，然后经过多次细致的切削来满足要求。 多个电机驱动进给主轴和多个螺钉定位刀具头。 电机的位置和速度伺服驱动器的功率和刚性决定了支持特定表面处理精度水平的zui大切削速度。 因此，高性能的电机驱动器可以提高切削速度，减少切削次数，直接影响铣削工艺的效率。 通过为每个操作选择zui佳的运动方案，并将更换刀具的时间降至zui低，可以提高工作效率和能源效率。 生产质量取决于丝杠的精度、电机驱动轴的位置和速度控制。 zui新的铣床有5个以上的控制轴，能够以zui小的工件设定操作次数加工复杂的形状。 用于大批量生产线的专用加工中心包括更多的伺服驱动器，支持多种金属加工的并联操作和类机器人功能，完全自动化加工过程。 机械设计师面临的挑战是使多个伺服驱动轴的操作和运动方案同步，在保持产品质量不变的同时，使机械的吞吐量效率zui大化。

精密运动控制

控制现代工厂中使用的自动化设备的各种设备如图1所示。 中央数字控制器(CNC  )或可编程逻辑控制器(PLC  )管理机械的操作，并按机械内的伺服电机轴生成运动轨迹计划。 各伺服驱动器包括用于管理机械系统的动态特性、电磁转矩生成、电路的动态特性的多个控制环路。 各控制设备的性能对机械的吞吐量效率和表面处理质量很重要。 计算机辅助制造(CAM  )工具根据产品图纸、材料特性、机械和刀具能力，生成产品所需的机械加工操作组合运动方案。 然后，自动化机器执行这些方案来制造产品。

图1 .自动化设备控制系统

如何实现同步

如何在多轴伺服控制系统中实现同步精密运动？ 完整的机械控制功能包括多个级联控制环路。 CNC考虑将旋转转换为直线运动的螺纹机构，将机械空间(x、y、z  )的运动结构转换为各电动机轴的(或)运动结构。 每个运动配置都由时间内的位置或速度集合定义。 轴之间的定时同步非常重要，因为定时误差对一个轴的影响与位置和速度误差相同。伺服驱动速度环的功能是计算追随目标速度曲线所需的电机转矩指令(T* )。 精加工的精度和表面质量取决于机器能否准确地沿着目标路径移动切削刀具。 机械加工的难题是金属切削工艺不连续。 由于材料会作为碎片脱落，伺服驱动负荷也会迅速变化。 速度环须不受负荷变动的影响，在切削操作中维持一定的速度，在刀具更换操作中能够迅速响应速度指令。 低速时控制质量的高低取决于位置反馈的分辨率。 由于需要高采样率微分器，因此会生成高动态速度信号。 用于机床驱动的精密编码器使用高速模数转换器在编码器计数之间进行插值，提供更高的分辨率。 例如，4096行编码器采用简单的数字接口时，将提供14/转的位置分辨率。 采用插补方式时，其分辨率至少22位/旋转位置分辨率提高到22位后，在4位速度分辨率和1 RPM的条件下可以达到4 kHz。 以前在4位速度分辨率和60 RPM的条件下，采样率只有1 kHz。

图2 .两相永磁交流电机的磁场对准

对于永磁交流伺服电机，为了高动态地产生转矩，要求如图2所示，正弦定子电流与转子磁铁角位置一致。 电流和磁场的对位控制，使电机转矩满足速度环的动态要求。 PWM和逆变器反馈隔离模块包含在电路控制功能中。 三相电力变换器向电动机绕组施加必要的电压，驱动目标绕组电流。 电流反馈功能将绕组电流测量和高压逆变器隔离，向磁场定向模块提供反馈信号。 电流反馈的精度决定了转矩产生的质量。 由于反馈中的增益、失调或非线性误差，会产生脉动转矩，表现为对速度控制器的负载干扰。 在部分精密伺服驱动中，还存在补偿定子线圈槽和转子磁铁相互作用引起的伺服电机内部转矩脉动的附加环。 所有这些都可以改善电机的低速性能，zui终提高成品的精度和表面质量。

主要驱动体系结构

如上所述，驱动系统性能由控制架构、电动机设计、电力电路、反馈传感器、控制处理器等各个方面决定。 面对日益提高的驱动性能、灵活性和成本要求，以及模拟和数字电控组件的进步，控制体系结构正在发展。 基于模拟电路的以往的伺服控制已被使用嵌入式处理器的数字控制所代替。 另外，CNC的速度指令信号原本是精密模拟信号，现在通过实时(RT  )产业网络发送数据包。 因此，现代伺服驱动系统除了控制和电力电路外，还包括通信接口。驱动系统中始终存在的电路设计难题是如何安全地隔离高压电力电路和用户连接的控制和通信电路有降低变频器信号分离困难的常用架构。 也就是说，直接连接电力电路和控制处理器的接地，在控制处理器和通信接口之间使用隔离门。 伺服驱动应用的更常见的体系结构选择是在功率电平和控制处理器之间配置安全保护门，将控制处理器和通信接口直接连接起来。 另一个常见的体系结构是将安全门分布在电力、控制和通信之间。 这样可以减少各分离门的分离标准要求，缩小系统整体的大小。

图3 .采用绝缘式控制体系结构的双轴电机控制系统

图3示出了使用ADSP-CM408混合信号ASP和AD7403隔离调制器的隔离控制架构的示例。 其中，逆变器的栅极驱动、电压反馈和电机电流反馈信号与控制处理器隔离，但直接连接位置反馈传感器、用户和通信接口。 该架构不仅可以为控制电路提供安全的隔离，还可以抑制高压开关电源逆变器产生的电路噪声。 电机电流反馈由绕组分流和隔离-调制器产生，这些调制器提供增益匹配、非常低的失调、非常高的线性度。 完整的电流反馈信号路径还包括控制处理器，其上的可编程sinc3滤波器还具有输出短路检测功能。 模拟信号隔离器提供逆变器总线的电压分离，该信号由嵌入式采样ADC得到。 控制处理器上的四象限(qep  )支持简单的数字编码器接口，但具有插值电路的更高分辨率编码器可以根据需要使用高速串行接口来传输位置和速度信息

上例中的RT  (实时)以太网接口由FPGA电路提供，可以灵活地支持自动化市场上的各种工业网络协议。 FPGA管理来自网络的实时分组，控制处理器具备带宽和存储器，支持协议栈的管理。 许多这样的协议支持抖动要求小于1 s的同步实时控制，给通信接口带来了非常重的处理负荷。 如上所述，这种对伺服驱动同步的要求与伺服驱动性能同样重要。 在现代自动化机械系统中，为了实现高生产率和高质量的产品，这两者是不可缺少的。 自动化系统的新趋势之一是使用单一的处理器控制2~3个伺服电机，依赖单一的实时通信接口。 目前，高速专用信号处理器(ASSP  )支持这种趋势，如ADPS-CM408，包括高速浮点内核、多组电机控制和通信外围设备。

工业电机驱动应用展示出的多种架构强调了许多重要的电机驱动系统的设计课题依然存在随着可用的控制处理和传感器反馈信号带宽的增加，自动化行业要求更高精度和动态的响应。 新的材料、传感器、控制、通信电路架构，甚至更多的算法和软件，很可能会继续满足自动化生产行业更高的生产力和更高的质量需求。

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