在近期舉辦的中國運動控制/直驅(qū)技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上，高創(chuàng)傳動科技開發(fā)（深圳）有限公司技術(shù)經(jīng)理宋寧一發(fā)表題為《直線伺服驅(qū)動器前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢》的演講，深入介紹直驅(qū)技術(shù)特點及控制難點，分享了高創(chuàng)直驅(qū)產(chǎn)品的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗。

當前直驅(qū)電機的應(yīng)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(qū)電機的制造成本也在持續(xù)下降。

直驅(qū)電機優(yōu)缺點

　　直驅(qū)電機跟傳統(tǒng)絲桿模組相比有以下一些應(yīng)用優(yōu)點：

• 　　運動速度快;

• 　　摩擦力較小;

• 　　系統(tǒng)剛性強，機器的負載可以直接連接在電機動子或轉(zhuǎn)子上;

• 　　結(jié)構(gòu)簡單，傳統(tǒng)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(qū)電機來講，一個編碼器即可實現(xiàn)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(qū)電機也存在一定的“短板”：

• 　　成本較高，需要直線導(dǎo)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(qū)電機應(yīng)用場景包括：半導(dǎo)體設(shè)備、檢測設(shè)備、AOI或者視覺檢測等領(lǐng)域需要的高精度控制應(yīng)用;以及焊線機、平板顯示、3C電子、CNC機床、光伏、高速搬運等應(yīng)用領(lǐng)域。

直驅(qū)電機控制要求及難度

直驅(qū)電機對于控制系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)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(yīng)用上)，所以控制上一定要在最短的時間內(nèi)讓電機整定下來;

• 　在一些激光加工或者檢測領(lǐng)域，要求運行過程特別平穩(wěn)，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(fā)輸出功能，隨著結(jié)構(gòu)越做越大，例如龍門架構(gòu)，需要兩個軸帶動同一個平臺，因此在驅(qū)動器控制上要實現(xiàn)龍門傳動的功能;

• 　針對以上要求，高創(chuàng)CDHD2開發(fā)出了一些對應(yīng)算法來適應(yīng)這些應(yīng)用場景需求，包括非線性HD控制和基于頻域線性響應(yīng)的HDM控制。

HD控制方式

　　傳統(tǒng)的控制方案一般是串行結(jié)構(gòu)，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)串行結(jié)構(gòu)，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(diào)和整定時間。為此，高創(chuàng)把速度環(huán)和位置環(huán)合二為一，形成了非線性的控制。速度環(huán)與位置環(huán)的合二為一通過增益矩陣的方式來自動適應(yīng)誤差，根據(jù)系統(tǒng)的誤差和速度來調(diào)整增益，實現(xiàn)最小的阻尼，最小的跟蹤誤差，達到最好的整定效果。

　　直驅(qū)電機在高速運動時，不可避免會造成抖動的現(xiàn)象，閉環(huán)抑制震動，發(fā)生初期就要響應(yīng)抑制它的震動，還有主動阻尼來盡量減少它的震動發(fā)生。

HDM控制方式

　　針對一些復(fù)雜的控制場景，比如CNC、激光等領(lǐng)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(fā)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(yīng)進行自動調(diào)試。

　　第一步，對機臺系統(tǒng)進行掃頻：給機臺系統(tǒng)注入掃頻電流白噪聲，設(shè)置它的掃頻范圍。通過頻率響應(yīng)就可以得到整個機臺或者機器的帶寬，同時得到它開環(huán)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(yīng)。圖1為掃頻后的波特圖。

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

   第三步，自動生成控制參數(shù)：根據(jù)擬合后的曲線，一鍵生成對應(yīng)控制參數(shù)，包括自動添加相應(yīng)濾波器，然后根據(jù)閉環(huán)特性及實際效果進行微調(diào)，從而得到最好或者最優(yōu)化的控制。調(diào)試時應(yīng)盡量避免不穩(wěn)定的區(qū)域，既要提高穩(wěn)定性，又需提高帶寬。

龍門控制系統(tǒng)

隨著控制的發(fā)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(chuàng)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(jiān)控兩個軸的偏差，根據(jù)偏差實時調(diào)整，輸出給兩個軸不同的電流，實現(xiàn)兩個軸的同步，兩個軸的通信是采用10MB/S的通信速率。

高創(chuàng)龍門系統(tǒng)的功能特點包括：

1. 兩軸同步；

2. 減少30%電流輸出；

3. 支持柔性和剛性龍門。

誤差補償功能

在直線電機行業(yè)，定位精度一般易于達到，提高其絕對精度要有補償，高創(chuàng)驅(qū)動內(nèi)置誤差補償表，支持直線和旋轉(zhuǎn)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(yè)內(nèi)對于這一技術(shù)領(lǐng)域的探討還沒有停止，高創(chuàng)也一直在探索未來的發(fā)展變化。

 
高創(chuàng)產(chǎn)品應(yīng)用

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

在機器人領(lǐng)域直驅(qū)電機已有廣泛應(yīng)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(yè)，我們一直在思考如何優(yōu)化控制方式。

 環(huán)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(qū)動器、控制器和編碼器整合到一起，實時監(jiān)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(qū)動器和控制器將會越來越融合，對于這種自動調(diào)試的要求越來越高，可以幫助客戶更好地使用我們的設(shè)備。

 如果使用驅(qū)控一體的方式，穩(wěn)定性更好，會避免一些接線和干擾造成的不穩(wěn)定因素。同時，驅(qū)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(yīng)用來進行通訊。未來這種系統(tǒng)驅(qū)動一體類似子系統(tǒng)的嵌入式，外設(shè)就可以完成運動控制的部分。

此外，隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，所有的設(shè)備要進入云端，未來的驅(qū)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(yè)共同創(chuàng)造。

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