此文是高創(chuàng)傳動(dòng)科技開發(fā)(深圳)有限公司產(chǎn)品總監(jiān)張仕杰在12月17日智能制造&中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制/直驅(qū)行業(yè)發(fā)展高峰論壇直驅(qū)分論壇的主題演講《直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)》整理。

正文|直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

各位好，我是高創(chuàng)的廠家代表張仕杰，今天由我代表高創(chuàng)公司來(lái)講一下對(duì)于直線電機(jī)前沿技術(shù)課題的一個(gè)理解。高創(chuàng)傳動(dòng)科技公司成立于1987年，到現(xiàn)在33年，它在2011年進(jìn)入中國(guó)。

從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)

有關(guān)驅(qū)動(dòng)器發(fā)展趨勢(shì)，我覺得需要從頭說(shuō)起。無(wú)論是伺服電機(jī)，還是直線電機(jī)，本質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)化。過(guò)去旋轉(zhuǎn)電機(jī)是轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的方式需要有驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為了達(dá)到控制的目的，需要通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)的方式傳動(dòng)它，所以就需要要皮帶、齒輪、齒條等。直線電機(jī)也是一個(gè)道理，本質(zhì)上還是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只是說(shuō)沒有這些結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)不太一樣。

我們認(rèn)為每一種傳動(dòng)方式有其特點(diǎn)。這些特點(diǎn)有一些可能是優(yōu)點(diǎn)，有一些可能是缺點(diǎn)。無(wú)論是優(yōu)點(diǎn)，還是缺點(diǎn)是相對(duì)的，不是絕對(duì)的概念。

所以機(jī)械傳動(dòng)的問(wèn)題點(diǎn)，我更愿意把它叫做特點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，會(huì)給用戶帶來(lái)一些成本或者不方便的地方，包括可靠性，包括摩擦，包括需要維護(hù)，還有一些精度的問(wèn)題。精度的問(wèn)題，因?yàn)榭赡懿考芏?，所以?huì)有傳導(dǎo)誤差，所以需要增加一些補(bǔ)償功能。

機(jī)械傳動(dòng)裝置的問(wèn)題點(diǎn)

可靠性:機(jī)械傳動(dòng)裝置長(zhǎng)時(shí)間會(huì)磨損及有限的壽命

摩擦:降低了效率，產(chǎn)生熱量，對(duì)整體控制造成影響

潤(rùn)滑劑:需要定期維護(hù)

精度:齒輪機(jī)械傳動(dòng)精度受限，所以在高精度的直線傳動(dòng)場(chǎng)合往往需要補(bǔ)償功能或增加第二編碼器

反向背隙:咬合部件間的“自由”導(dǎo)致精度問(wèn)題及控制限制

靈活性:金屬齒輪增加了靈活性-同時(shí)會(huì)帶來(lái)彈簧效應(yīng)會(huì)帶來(lái)共振和震動(dòng)

成本:增加了系統(tǒng)成本

系統(tǒng)復(fù)雜:部件多，增加問(wèn)題發(fā)生率MTBF

直驅(qū)電機(jī)開始逐步提升市場(chǎng)占有率并取代傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

早期直線電機(jī)這個(gè)東西，在高端行業(yè)，包括CNC，貼片機(jī)、焊線機(jī)、半導(dǎo)體、光伏行業(yè)用了很多年?，F(xiàn)在生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，使得成本降低了很多。直驅(qū)市場(chǎng)占有率在逐步提高，可能取代一部分機(jī)械傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

隨著直驅(qū)產(chǎn)品的普及和應(yīng)用，在其高速度、高精度、摩擦小、壽命長(zhǎng)、部件少、高剛性系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)被市場(chǎng)熟知外，其問(wèn)題點(diǎn)也更多地被暴露。

直驅(qū)產(chǎn)品較之傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本仍然較高

（1）需要更多的磁鐵以及較高的組裝成本。

（2）線性軸承帶來(lái)的高成本

（3）由于沒有摩擦使得其對(duì)控制算法結(jié)構(gòu)的要求更高。

（4）由于電機(jī)與負(fù)載直連，需要更高的控制增益及振動(dòng)抑制。（5）高速和高精度的特點(diǎn)使之對(duì)整定時(shí)間的要求更高。

（6）需要更高分辨率和精度的編碼器。

高創(chuàng)傳動(dòng)解決方案

高創(chuàng)對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)，以及這樣的電機(jī)，針對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)三個(gè)需要的核心要素，是有一些解決方案的。

第一個(gè)我們有一個(gè)算法，我們叫HD—Loop，這個(gè)是解決高增益和降低整定時(shí)間的算法；還有一個(gè)用于振動(dòng)抑制；第三個(gè)是支持高分辨率的反饋。三個(gè)點(diǎn)會(huì)持續(xù)存在，當(dāng)你的電機(jī)改變的時(shí)候，我們要調(diào)整這些東西，但是大體的結(jié)構(gòu)不會(huì)變。

高創(chuàng)驅(qū)動(dòng)器里面有很多算法，針對(duì)高速高精度的運(yùn)用開發(fā)了一個(gè)算法，因?yàn)楦邉?chuàng)接觸直驅(qū)電機(jī)比較久。這一塊的數(shù)據(jù)收集比較多，所以開發(fā)了一種自適應(yīng)非線性控制算法，我們叫HD—Loop，所有分支工作在同一個(gè)優(yōu)先級(jí)并工作在各自的采樣周期。再一個(gè)分支都有一個(gè)可變?cè)鲆鎱?shù)，該參數(shù)會(huì)自動(dòng)優(yōu)化以獲取高增益和穩(wěn)定度。這四個(gè)增益，或者是自適應(yīng)增益參數(shù)的話，對(duì)于能夠獲取最小的誤差，以及整定時(shí)間是最核心的幫助，可以使得這個(gè)得到極大的優(yōu)化。

這套算法在理論上優(yōu)于其他類型控制器的算法，我們把驅(qū)動(dòng)器里面的環(huán)路叫控制器?；旧弦刂埔粋€(gè)東西要形成閉環(huán)，所以稱為控制器。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)這個(gè)東西可以得到最小的位置誤差，以及接近于0的整定時(shí)間。我們有些案例的確做到0的整定時(shí)間。換句話說(shuō)，需要負(fù)載在規(guī)定的時(shí)間，到達(dá)規(guī)定的地點(diǎn)，我們這上面叫位置誤差和整定時(shí)間。

剛才的東西是為了解決位置誤差和整定時(shí)間，那這個(gè)東西就是為了解決震動(dòng)。振動(dòng)會(huì)直接傳遞到電機(jī)上，當(dāng)它傳遞到電機(jī)上，電機(jī)會(huì)有感知，通過(guò)采取電流和采集反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)播，我們就可以知道目前震動(dòng)是在什么樣的頻率范圍。我們就在里面做了一個(gè)閉環(huán)，去等同于這個(gè)頻率對(duì)沖掉，這個(gè)就是震動(dòng)抑制。

從整體看得到顯著完善，這樣的環(huán)路可以做很多個(gè)。換句話說(shuō)，可能你的震動(dòng)點(diǎn)可能有很多個(gè)，所以使得它比較穩(wěn)，比較快。這是第二個(gè)核心的先進(jìn)控制算法的震動(dòng)抑制。

直線電機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)于趨勢(shì)，我們覺得趨勢(shì)的部分一定是跟大環(huán)境相關(guān)，直線電機(jī)未來(lái)的趨勢(shì)會(huì)怎么樣，或者做成什么形態(tài)，我覺得不是很重要，因?yàn)楦鷳?yīng)用場(chǎng)景相關(guān)。在中國(guó)的東西，它會(huì)有符合中國(guó)應(yīng)用的場(chǎng)景，以及符合中國(guó)應(yīng)用的商品。

符合中國(guó)應(yīng)用的發(fā)展驅(qū)勢(shì)

（1）中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展迫使機(jī)器的成本降低，產(chǎn)能提高/交付縮短/開發(fā)周期短，需要更好的精度和更少的維護(hù)。

（2）中國(guó)設(shè)備制造商更加激進(jìn)敢于冒險(xiǎn)，其結(jié)果是-機(jī)器更輕量化，機(jī)械結(jié)構(gòu)更柔性靈活—>使得更加難以控制-加大了對(duì)于驅(qū)動(dòng)和控制器要求。

（3）機(jī)器設(shè)備種類趨勢(shì)變化快，規(guī)模大-需要自動(dòng)調(diào)試和易用性。

我們的驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)怎么辦？一定要放在大環(huán)境里面考慮問(wèn)題，才能把發(fā)展方向想清楚，這是我們的看法。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器的角度，因?yàn)楝F(xiàn)在的芯片已經(jīng)足夠強(qiáng)大，它不再像以前，可能只能做有限的東西，半導(dǎo)體和集成電路的發(fā)展非?？?，既然芯片已經(jīng)很強(qiáng)大了，我們不應(yīng)該用非常新的芯片做老的設(shè)計(jì)方案。所以我們要改變，這個(gè)改變是為了適應(yīng)相關(guān)的需求。

驅(qū)動(dòng)和控制的邊界慢慢會(huì)越來(lái)越模糊，可能會(huì)慢慢融合在一起。

驅(qū)動(dòng)和控制融合所需要達(dá)到的目的

（1）易用性。

（2）穩(wěn)定性。

（3）連接傳感器視覺以及其他第三方核心工藝制程器件。

（4）集成更高階而豐富的算法。

（5）簡(jiǎn)單接口及用戶界面，即插即用。

（6）類似“子系統(tǒng)”的嵌入式系統(tǒng)。

（7）盡量少的線纜及小型化尺寸。

（8）更加智能化，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集和處理、云端系統(tǒng)。

電機(jī)未來(lái)的方向是什么？

從我們角度來(lái)看是機(jī)電一體化。長(zhǎng)期以來(lái)，我們銷售驅(qū)動(dòng)器給直線電機(jī)公司，直線電機(jī)公司再銷售給客戶端，但是實(shí)際上銷售的意義遠(yuǎn)大于集成的意義和方案的意義。直線電機(jī)公司不一定理解驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器不一定理解直線電機(jī)公司，兩個(gè)加起來(lái)不一定理解現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。如果這個(gè)壁壘不打破，最后沒有辦法服務(wù)好客戶。

從我的角度來(lái)看，我們賣東西給客人，不是為了賺客人的錢。比如說(shuō)賣東西給設(shè)備商，我們不是為了賺錢。我們賣的東西跟消費(fèi)品不一樣，如果賣一臺(tái)手機(jī)給終端用戶，這是我賺它的錢，因?yàn)樗眠^(guò)來(lái)是為了使用。我們賣東西給設(shè)備商，設(shè)備商拿到以后要再賣出去賺錢。我們目的是幫助設(shè)備商賺錢，然后分享其中一部分，這是我的理解。要達(dá)到這樣的目的，怎么樣幫終端用戶賺錢。

我們?cè)瓉?lái)出現(xiàn)很多例子。直線電機(jī)說(shuō)這不是我的問(wèn)題，是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)電機(jī)說(shuō)這是直線電機(jī)的問(wèn)題，會(huì)有互相之間的扯皮。我覺得本質(zhì)是墻沒有打破，互相之間要融合。

這里舉一個(gè)例子，比如說(shuō)誤差補(bǔ)償表。

我們直線電機(jī)有加溫過(guò)高，所以用軟件補(bǔ)回來(lái)，這就降低了生產(chǎn)制造的成本，同時(shí)降低了個(gè)人服務(wù)的需求，這個(gè)就是機(jī)電一體化，同時(shí)也有附加值。剛才是1D的，這個(gè)是3D的。

理論上我們可以做到6D，就是6個(gè)維度。右邊是給齒輪公司做的系統(tǒng)，因?yàn)辇X輪非常大，要檢查非常細(xì)微的精度，它整個(gè)的測(cè)量設(shè)備有誤差，我們就做誤差補(bǔ)償?shù)乃惴?。整個(gè)系統(tǒng)做到12張表進(jìn)去，可能一個(gè)直線電機(jī)需要1張表。這樣做之后極大提升精度，使得整個(gè)成本下降。

像這樣的東西，我認(rèn)為都是機(jī)電一體化的產(chǎn)物。不單單是高創(chuàng)公司，我認(rèn)為大部分公司的接口都會(huì)越來(lái)越豐富，所以我覺得發(fā)展趨勢(shì)的核心是機(jī)電一體化。這種機(jī)電一體化需要電機(jī)公司跟軟件公司，跟驅(qū)動(dòng)性公司，以及運(yùn)動(dòng)控制公司緊密合作。

這種合作首先是人上面的合作，以及支持架構(gòu)下的建立需要更多的交互，而不是你干的，我干我的，需要更多的交流，我想這是直驅(qū)聯(lián)盟組織會(huì)議的目的。未來(lái)會(huì)非常好，但是需要多交互，尤其是機(jī)電一體化，這是我們對(duì)未來(lái)的理解。

圖：演講人高創(chuàng)傳動(dòng)科技開發(fā)(深圳)有限公司產(chǎn)品總監(jiān)張仕杰