鄭煜，馬新春，朱恒毅，馬蔚云

（新疆電子研究所有限公司ERP中心，新疆烏魯木齊830049）

近幾年，國內(nèi)的工業(yè)自動化領(lǐng)域呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的態(tài)勢，國外的先進(jìn)技術(shù)迅速得到引入和普及化地推廣，其中作為電機(jī)驅(qū)動方面的重要代表產(chǎn)品的伺服與精準(zhǔn)控制已被廣大用戶所接受，在機(jī)器革新中起到了至關(guān)重要的作用。精準(zhǔn)的驅(qū)動和智能化的運(yùn)動控制通過伺服系統(tǒng)可以有效提高機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)品的良品率并能完美的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效自動化，這兩方面也成為電機(jī)伺服系統(tǒng)發(fā)展的重要指標(biāo)。

1 伺服系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 伺服系統(tǒng)原理

伺服驅(qū)動技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的重要組成部分。與數(shù)控裝置相配合，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性直接影響機(jī)床的位移速度，定位精度和加工精度。

現(xiàn)在，直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代，伺服電機(jī)的位置，速度及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并采用了新的控制理論，實(shí)現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動影響的高速響應(yīng)系統(tǒng)[1]。伺服控制原理如圖1所示。

圖1 伺服控制原理Fig.1 Principle servocontrol

1.2 主要采用的伺服技術(shù)

1）前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)，是把檢測器信號與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著跟蹤滯后誤差，這使得在加工拐角及圓弧時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣使伺服系統(tǒng)的跟蹤滯后誤差大大減小。

2）機(jī)械靜止摩擦的非線性控制技術(shù)。對于一些具有較大靜止摩擦的數(shù)控機(jī)床，新型數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補(bǔ)償機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)靜摩擦的非線性控制功能。

3）伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)（包括電流環(huán)）均采用軟件控制，如數(shù)字調(diào)解和矢量控制等。為適應(yīng)不同類型的機(jī)床，不同精度和不同速度要術(shù)，預(yù)先調(diào)整加、減速性能。

4）采用高分辨的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)有微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高，增量位置檢測為10 000 p/r（脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn)）以上；絕對位置檢測為1 000 000 p/r以上。

5）補(bǔ)償技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都具有補(bǔ)償功能，可以對伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補(bǔ)償，如絲杠螺距誤差補(bǔ)償，齒側(cè)間隙補(bǔ)償、軸向運(yùn)動誤差補(bǔ)償、空間誤差補(bǔ)償和熱變形補(bǔ)償?shù)萚2]。

1.3 精準(zhǔn)電機(jī)設(shè)計原理

所謂精準(zhǔn)控制，是指電機(jī)通過伺服驅(qū)動后所達(dá)到的執(zhí)行效果和目標(biāo)與設(shè)定值的一致程度非常高，控制精密性好。要達(dá)成這樣的結(jié)果需要在執(zhí)行裝置（電機(jī)）和驅(qū)動裝置（電機(jī)驅(qū)動器）上做到針對性地設(shè)計和制造。

以下就3個方面對精準(zhǔn)電機(jī)進(jìn)行介紹。

1）間隙誤差被消除。普通的傳動機(jī)構(gòu)由于有減速機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪、皮帶或絲杠等中間環(huán)節(jié)，間隙誤差是肯定無法避免的，尤其是對于長時間運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的機(jī)械磨損更是無法補(bǔ)償。精準(zhǔn)電機(jī)恰恰能很好的解決以上的問題，由于精準(zhǔn)電機(jī)直接驅(qū)動的安裝方式如圖2所示，誤差被減為最少；而且它的伺服特性也可以隨時修正誤差，達(dá)到最理想的控制精度。

圖2 精準(zhǔn)電機(jī)與普通電機(jī)的比較Fig.2 Electric motors accurate compared with truss ordinary

2）高解析度和高定位精度。精準(zhǔn)電機(jī)選配的編碼器分辨率很高，編碼器的解析度為655 360 PPR（最高可以達(dá)到4 096 000 PPR），電機(jī)控制精度高，已經(jīng)超過普通伺服的控制精度1個數(shù)量級。由于制作相當(dāng)精密，最終的精度控制一般可以達(dá)到2 s以內(nèi)。

3）高剛性，結(jié)構(gòu)緊湊，使用效率高。精度電機(jī)的剛性很強(qiáng)，與負(fù)載結(jié)合后特性很硬，對于其驅(qū)動器要求更高。最新型的驅(qū)動器可以提供在線增益調(diào)試和共振濾波。電機(jī)中空獨(dú)特設(shè)計不但減輕了自身慣量，也給客戶提供了更多的安裝形式。組合后的機(jī)械結(jié)構(gòu)會更加緊湊，使用效率比較其他方式最高。

4）精準(zhǔn)電機(jī)的相對轉(zhuǎn)速比較低，額定轉(zhuǎn)速基本在60～240 rpm之間，但是這里的轉(zhuǎn)速是最終在轉(zhuǎn)臺上的轉(zhuǎn)速，相對比普通伺服+減速機(jī)的構(gòu)架，在最終轉(zhuǎn)速上也是非常有優(yōu)勢。在保持轉(zhuǎn)速的同時精準(zhǔn)電機(jī)保持了高的輸出扭力，由于采用永磁定子，因此在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)精準(zhǔn)電機(jī)的扭力輸出曲線能夠保持平滑線性特性如圖3所示。

圖3 精準(zhǔn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩輸出特性Fig.3 Rev electric motors accurate and identity output torquemoment

1.4 電機(jī)驅(qū)動器控制原理

電機(jī)驅(qū)動器采用了I-PD控制方式，同樣帶寬的電流環(huán)，采用I-PD控制的電機(jī)驅(qū)動器達(dá)到10 Hz帶寬的位置環(huán)，與傳統(tǒng)的PID控制方式相比，減小了2.5倍的速度帶寬。這個特點(diǎn)決定了電機(jī)的高剛性（位置帶寬）。電機(jī)驅(qū)動器控制原理如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動器控制原理圖Fig.4 Principle control drivers electric motors

1.5 電機(jī)保護(hù)功能原理

設(shè)計優(yōu)良的保護(hù)裝置能有效提高電機(jī)的使用壽命和精準(zhǔn)控制，本文設(shè)計的電機(jī)保護(hù)裝置具備全方位電動機(jī)保護(hù)功能：過載、欠載、電流不平衡、過壓、欠壓、電壓不平衡、堵轉(zhuǎn)與短路智能識別、接地保護(hù)、PTC／NTC溫度保護(hù)、增安型tE保護(hù)、相序保護(hù)、起動超時等報警和保護(hù)功能[3]。

堵轉(zhuǎn)保護(hù)采用時域特征智能識別算法，自動生成特征參數(shù)，無需人工干預(yù)即可準(zhǔn)確區(qū)分電動機(jī)啟動電流與堵轉(zhuǎn)故障特性，及時做出相應(yīng)保護(hù)動作反應(yīng)。

獨(dú)有的短路故障“多特征融合模式識別技術(shù)”，通過綜合采集電動機(jī)的過載、相間平衡度和功率因數(shù)等多參量分析技術(shù)，迅速準(zhǔn)確地捕捉電動機(jī)相間短路故障特征并做出及時保護(hù)反應(yīng)。尤其是在短路電流和起動電流值相當(dāng)，甚至小于起動電流的情況而無法采用幅度鑒別保護(hù)時將十分有用。

2 智能電機(jī)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

智能化是指伺服產(chǎn)品可以做智能地驅(qū)動和控制。驅(qū)動器的驅(qū)動能力、控制效果、編程再開發(fā)性以及和上位控制系統(tǒng)信息通訊開放程度是衡量該驅(qū)動產(chǎn)品智能化的基本指標(biāo)。從模擬式的可控硅驅(qū)動電路搭接的簡易模塊到現(xiàn)在全數(shù)字式的交流驅(qū)動器，短短十幾年的時間驅(qū)動器的革新從未停下腳步。下面對智能電機(jī)伺服驅(qū)動器做詳細(xì)的介紹。

智能電機(jī)伺服驅(qū)動器在設(shè)計上強(qiáng)調(diào)“主動”的觀念，采用自主開發(fā)的芯片電路，使整個處理過程始終保持在平穩(wěn)的過渡中。對比傳統(tǒng)的RC“被動”的轉(zhuǎn)換方式，啟動和關(guān)斷時電流沖擊和損失將大大降低，可以實(shí)現(xiàn)非常低的EMI。各種驅(qū)動器（用MOSFET還是IGBT的驅(qū)動器），均可實(shí)現(xiàn)快速有效的功率轉(zhuǎn)換，能耗損失不超過3%。在能量消耗方面提出了熱能管理的觀念，強(qiáng)調(diào)能耗低損失的同時，熱能也可以得到有效的釋放。其獨(dú)有的陶瓷貼裝的散熱技術(shù)，可保證100%的熱量導(dǎo)出[4]。

為了快速，強(qiáng)有力的融合電機(jī)和驅(qū)動器，我們研發(fā)了SimplIQ技術(shù)，如圖7所示，這種技術(shù)具有多種反饋選擇編程能力，和標(biāo)準(zhǔn)的信號監(jiān)測技術(shù)，優(yōu)良的運(yùn)動控制技術(shù)，簡化了控制過程，使機(jī)器在理想狀態(tài)下工作。智能驅(qū)動器擁有獨(dú)特的高級位置控制功能包括點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動、PT（位置時間表）、PVT（位置速度時間）、ECAM（電子凸輪）、位置跟隨脈沖輸入、雙回路、快速事件捕捉、快速輸出比較（OC）、事件捕捉式中斷、事件觸發(fā)式編程等。同時在在高級濾波和增益預(yù)定模式下智能驅(qū)動器也是獨(dú)特設(shè)計，包括非工作狀態(tài)下的速度和電流增益設(shè)定、速度位置的PIP控制、自動整流調(diào)制、自動電機(jī)相位排序等。通訊方式支持RS-232、CANopen DS-301，DS-402。

圖5 智能電機(jī)伺服驅(qū)動器Fig.5 Drivers brainpower electric motors servo

智能控制器是一款基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運(yùn)動控制器和監(jiān)控器，通過它配合智能電機(jī)驅(qū)動器使用，可以完成許多復(fù)雜的多軸運(yùn)動控制。用智能控制器和SimpleIQ技術(shù)的驅(qū)動器所構(gòu)建的運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)是基于分布式運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。同時支持同步運(yùn)動控制、順序運(yùn)動控制、多軸運(yùn)動記錄和分析工具、多軸應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)。通過直接訪問以太網(wǎng)完成各軸的調(diào)整、監(jiān)控和通常的分析[5]。

3 結(jié)束語

智能伺服系統(tǒng)在航天、醫(yī)療、包裝、LCD、半導(dǎo)體關(guān)產(chǎn)業(yè)，由于智能伺服系統(tǒng)的高精度，高剛性以及直接連接結(jié)構(gòu)簡單，精度壽命長便于維護(hù)等特點(diǎn)，在國內(nèi)有比較大的市場[6]。

電機(jī)精準(zhǔn)的定位和自動化智能控制今后還會向深入的方向發(fā)展，機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)革命和驅(qū)動與控制的相互滲透在今后的幾年中將成為主導(dǎo)市場的新的趨勢。國內(nèi)很多公司也一直在致力于此發(fā)展方向，隨著國內(nèi)電機(jī)精準(zhǔn)控制和先進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的引入與推廣，逐漸也將會有部分電機(jī)精準(zhǔn)控制和伺服系統(tǒng)產(chǎn)品接近國際的先進(jìn)水平，在世界領(lǐng)域占有一席之地。

[1]張莉松.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計[M].3版.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]陳先鋒.伺服控制技術(shù)自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]許傲然，趙坤，游小杰.雙DSP的無速度傳感器電動機(jī)控制平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]電氣應(yīng)用，2008，27（8）：47-50

XU Ao-ran，ZHAO Kun，YOU Xiao-jie.Dual DSP motor control of speed sensor design and implementation[J].Electrotechnical Application，2008，27（8）：47-50.

[4]顏嘉男.伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[5]任致程，周中.電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南[M].北京：中國電力出版社，2007.

[6]李紅怡.PLC在電動機(jī)Y-Δ降壓啟動中的應(yīng)用[J].電力學(xué)報，2008，23（3）：41-43.

LI Hong-yi.The application of PLC to motor Y-Δ reducedvoptage starting[J].Journal of Electric Power，2008，23（3）：41-43.