直接驅(qū)動技術(shù) 　　 數(shù)控系統(tǒng)對精度和快速性的要求 　　 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)（如數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心等等）向著高速、高精度方向發(fā)展，如為了縮短輔助操作時(shí)間、提高生產(chǎn)率，伺服軸的移動速度要求超過120 m/min；正在研制的超高精度鏡面銑削加工中心，要求位置分辨率為1納米；數(shù)控磨齒機(jī)的分度精度要求小于0.1角秒；慣導(dǎo)測試設(shè)備要求位置分辨率小于0.001角秒等等。這樣高的精度，常規(guī)的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)（減速箱或滾珠絲桿付等）的傳動技術(shù)不可能達(dá)到。因?yàn)闄C(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和聯(lián)軸器的誤差、間隙和柔性，使伺服軸產(chǎn)生成帶狀分布的運(yùn)動誤差和失動，而不是一個(gè)恒值，嚴(yán)重影響伺服軸的運(yùn)動精度和系統(tǒng)快速性。 [ALIGN=CENTER] BM 系列 ■ 定子內(nèi)徑0.4”（10mm） 到63”（1600mm） ■ 連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩45000Nm ■ 典型速度18krpm，最高可達(dá)80krpm BM 系列 ■ 定子內(nèi)徑0.4”（10mm） 到63”（1600mm） ■ 連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩45000Nm ■ 典型速度18krpm，最高可達(dá)80krpm[/align] 在數(shù)控技術(shù)上提高伺服軸運(yùn)動精度的常規(guī)做法有兩種：半閉環(huán)控制（位置反饋取至伺服電機(jī)軸端）加存儲式補(bǔ)償（間隙補(bǔ)償和螺距誤差 補(bǔ)償）和全閉環(huán)控制（位置反饋取至伺服機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端）。 　　 半閉環(huán)控制加存儲式補(bǔ)償只能補(bǔ)償帶狀分布誤差帶中的恒定部分，即絲杠螺距誤差和傳動間隙（故稱這種補(bǔ)償為螺距誤差補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償），不能滿足高精度數(shù)控系統(tǒng)的精度要求。 　　 全閉環(huán)控制將伺服機(jī)構(gòu)置于閉環(huán)控制之中，使由它們產(chǎn)生的誤差得到閉環(huán)補(bǔ)償。但要取得好的控制效果，要求高的位置環(huán)增益；而伺服機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器的誤差、間隙和柔性，使得系統(tǒng)難以得到很高的位置環(huán)增益，補(bǔ)償效果仍不理想，不能滿足超高速、超高精度數(shù)控系統(tǒng)的精度和快速性要求。 　　 只有去掉機(jī)械傳輸?shù)人欧?zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)直接耦合或融入到負(fù)載上，即直接驅(qū)動技術(shù)，才能消除間隙、柔性和其它與機(jī)械傳送相關(guān)的問題，以滿足超高精度的數(shù)控系統(tǒng)對精度和快速性的要求。 　　 直接驅(qū)動技術(shù) 　　 直接驅(qū)動技術(shù)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動兩種基本方式。 　　 直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸（A、B、C軸）的伺服電機(jī)稱為直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)（DDR）電機(jī)，通常要求低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角高分辨率。DDR電機(jī)與負(fù)載的連接有兩種方式（無需聯(lián)軸器）：一種是帶有中空軸的有框架DDR電機(jī)，負(fù)載軸直接插入電機(jī)的中空軸；另一種是無框架（分裝式）DDR電機(jī)，定子安裝在負(fù)載的框架上，轉(zhuǎn)子直接安裝在負(fù)載軸上，將電機(jī)轉(zhuǎn)子成為負(fù)載的一部分，可以為用戶提供十分緊湊的機(jī)械設(shè)計(jì)解決方案。 　　 Danaher Motion公司的有框架GOLDLINE®DDR電機(jī)，有低壓（115/230Vac）D系列和高壓（400/480Vac）DH系列兩種電壓規(guī)格，4種框架尺寸，3種鐵心長度，共12種型號。配置Cross-Roller精密軸承；中空軸，法蘭安裝，端面直徑從6.93”－14.25”；連續(xù)轉(zhuǎn)矩從5.3－339 Nm，峰值轉(zhuǎn)矩從16.9－1340 Nm；最高轉(zhuǎn)速可達(dá)800 rpm（DH06）；配備正余弦編碼器的位置分辨率可達(dá)21位（2,097,152 counts/r），重復(fù)精度±0.62角秒。 [align=center] CARTRIDGE DDR™ 電機(jī) 運(yùn)輸時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過夾具固定在定子框架內(nèi) [/align] Danaher Motion公司的無框架DDR電機(jī)，有F/FH系列、RBE系列、BM系列等，有多種定子內(nèi)徑尺寸和轉(zhuǎn)子長度，F(xiàn)/FH系列適合低速、小直徑、大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用，RBE適合高速、小直徑、小轉(zhuǎn)矩的用途，BM系列是專為高速、大直徑、大轉(zhuǎn)矩用途而設(shè)計(jì)的電機(jī)。BM系列速度通常18000rpm，特殊設(shè)計(jì)可達(dá)80000rpm，直徑最大可達(dá)1600mm，連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩高達(dá)45000Nm；RBE系列定子內(nèi)徑尺寸從21.3 mm到239 mm；F/FH系列連續(xù)轉(zhuǎn)矩可達(dá)369 Nm，定子繞組特性與有框架GOLDLINE®DDR電機(jī)相同；用Danaher Motion公司的ServoStar S600驅(qū)動器驅(qū)動，位置分辨率可達(dá)28位（268,435,456 counts/r），位置重復(fù)精度可達(dá)±0.00048角秒，用戶可以選配高分辨率的正余弦編碼器以提高系統(tǒng)精度和帶寬。 　　 Danaher Motion公司創(chuàng)新設(shè)計(jì)的C/CH系列模塊化有框架CARTRIDGE DDR®電機(jī)，率先將無框架DDR技術(shù)的節(jié)省空間與性能優(yōu)勢和有框架電機(jī)的便捷安裝融為一體。電機(jī)內(nèi)沒有軸承,利用負(fù)載軸的軸承支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子，類似無框架DDR電機(jī)；定子框架通過法蘭和止口與負(fù)載連接，類似有框架DDR電機(jī)。轉(zhuǎn)子與負(fù)載通過一種新穎的壓縮連接結(jié)構(gòu)與負(fù)載軸緊密地連接到一起，使電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載成為整體，消除了電機(jī)與負(fù)載之間的間隙和柔性，連接剛性極大地提高，不再需要像傳統(tǒng)電機(jī)那樣要求慣量匹配，通常允許有250:1的慣量失配，最高可達(dá)800:1，使得系統(tǒng)可以獲得較高的增益而不會振蕩，系統(tǒng)帶寬極大地提高；因電機(jī)內(nèi)沒有精密軸承而降低了成本，具有比有框架GOLDLINE®DDR電機(jī)具有更高的性價(jià)比；與F/FH系列無框架DDR電機(jī)相比，無需考慮電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡化了機(jī)械設(shè)計(jì)和安裝；CARTRIDGE®DDR 電機(jī)可以在任何方向上安裝，可以水平安裝或豎直安裝，但用戶需要選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)子負(fù)載軸承；電機(jī)繞組設(shè)計(jì)有低壓C（115/230Vac）系列和高壓CH（400/480Vac）系列；連續(xù)轉(zhuǎn)矩從50到504 Nm, 峰值轉(zhuǎn)矩從120到1016 Nm；最大轉(zhuǎn)速可達(dá)1200 rpm。 [align=center] 有框架GOLDLINE® DDR 電機(jī)[/align] 直接驅(qū)動數(shù)控系統(tǒng)直線軸（X、Y、Z軸）的伺服電機(jī)稱為直接驅(qū)動直線（DDL）電機(jī)，直線電機(jī)主要由以下幾部分組成：線圈總成（通常是動子），永磁體總成（通常是靜子）和直線編碼器以及直線導(dǎo)軌、軸承等框架設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)等。直線電機(jī)的特點(diǎn)是：負(fù)載與電機(jī)動子緊密地結(jié)合在一體，系統(tǒng)高剛度、高動態(tài)性能，工作平穩(wěn)，定位精度高，調(diào)速范圍寬，調(diào)整簡單：只需要調(diào)整無框架直線電機(jī)線圈與磁體之間的氣隙。 [align=center] IL 無鐵心系列 IC 有鐵心系列[/align] Danaher Motion公司的PLATINUM®DDL電機(jī)有3個(gè)系列：IL無鐵心，IC有鐵心系列和ICD小型有鐵心系列。 　　 IL無鐵心系列：峰值推力為60 ～1600 N，連續(xù)推力為21 ～450 N。特點(diǎn)是：零齒槽效應(yīng)，無電磁吸力，運(yùn)動平穩(wěn)，可以以1 微米/秒的最低速度運(yùn)行，小質(zhì)量的線圈總成，能產(chǎn)生高加速度。 　　 IC有鐵心系列：峰值推力190 ～15625 N，連續(xù)推力73 ～12023 N。特點(diǎn)是：防齒槽效應(yīng)專利技術(shù)，能在無磁體偏置條件下降低齒槽效應(yīng)；高電機(jī)常數(shù)（Km）；高推力密度。 　　 ICD小型有鐵心系列：峰值推力170 ～1130 N，持續(xù)推力57 ～315 N。特點(diǎn)是：尺寸極?。浑姶盼π?；適用于替換某些無鐵芯電機(jī)的應(yīng)用。 　　 直接驅(qū)動技術(shù)的特點(diǎn) 　　 由此可以總結(jié)出DDR和DDL直接驅(qū)動的特點(diǎn)： 　　 ■低轉(zhuǎn)速/大轉(zhuǎn)矩：由于直接驅(qū)動沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)（齒輪箱、絲杠/螺母，齒輪/齒條，齒輪/齒形帶，皮帶/皮帶輪，聯(lián)軸器）的降低轉(zhuǎn)速/放大轉(zhuǎn)矩的作用，要求直接驅(qū)動電機(jī)低轉(zhuǎn)速/大轉(zhuǎn)矩，故又稱直接驅(qū)動電機(jī)為力矩電機(jī)。 　　 ■免維護(hù)：由于直接驅(qū)動沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)（齒輪箱、絲杠-螺母，齒輪-齒條，齒輪-齒形帶，皮帶-皮帶輪，聯(lián)軸器等），無需對中間傳動環(huán)節(jié)進(jìn)行機(jī)械維護(hù)。只有直接驅(qū)動直流無刷電機(jī)電機(jī)一個(gè)驅(qū)動部件，由于直流無刷電機(jī)沒有電刷也不需要維護(hù)。 　　 ■零間隙，高剛度（低柔性）：由于直接驅(qū)動沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，不存在中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的傳動間隙（齒輪間隙，絲杠/螺母間隙），沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)存在的柔性的問題。 　　 ■極好的伺服性能：由于直接驅(qū)動具有零間隙，高剛度，伺服環(huán)（速度環(huán)，位置環(huán)）可有較高的閉環(huán)帶寬。高帶寬使系統(tǒng)有極快的響應(yīng)速度和抗負(fù)載擾動的能力。 　　 ■具有較大的加/減速負(fù)載的能力：不存在慣量匹配問題，電機(jī)的加速能力全部用來加速負(fù)載，無需加速中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)。 　　 ■極好的低速和高速性能：直接驅(qū)動直線電機(jī)可以獲得低于1微米/秒的低速和獲得5米/秒以上的高速。 　　 ■極高的精度：由于沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的傳動誤差，直接驅(qū)動可以獲得極高的位置精度。定位精度（絕對位置精度）取決于反饋裝置的精度，重復(fù)定位精度取決于系統(tǒng)的分辨率。 　　 ■用具有28 bits分辨率的S600驅(qū)動器驅(qū)動直線電機(jī)可以獲得0.12納米（極距/分辨率＝32 mm/228）的重復(fù)定位精度。用具有28 bits分辨率的S600驅(qū)動器驅(qū)動無框架直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以獲得0.005角秒（360度/分辨率＝360度/228）的重復(fù)定位精度。 　　 ■緊湊/堅(jiān)實(shí)的外形：無框架直接驅(qū)動電機(jī)是機(jī)器的一部分，使機(jī)器的外形更加美觀。 　　 ■靜音運(yùn)行：運(yùn)行時(shí)沒有中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的運(yùn)行噪音。 　　 在實(shí)際應(yīng)用中，有高速、超精度要求的伺服軸可以采用直接驅(qū)動技術(shù)，而其它軸仍采用常規(guī)伺服或步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，即所謂“混合驅(qū)動”模式。 　　 直接驅(qū)動伺服系統(tǒng)對控制器的需求 　　 為了滿足高速、高精度伺服軸的控制要求，需要有高性能的多軸運(yùn)動控制卡，64位DSP或CPU逐漸成為運(yùn)動控制卡的主流，運(yùn)算速度大大提高；為解決控制卡到伺服驅(qū)動器之間的信號高速、高分辨率、高可靠性傳輸問題，以往的模擬量信號或現(xiàn)場總線級總線都難以滿足要求，尤其是多軸應(yīng)用，需要速度快、可靠性高的運(yùn)動控制級總線。Danaher Motion公司開發(fā)的SynqNet運(yùn)動控制總線及控制卡很好地解決了這些問題。 [align=center] ■ 正常時(shí)雙環(huán)路 ■ 數(shù)據(jù)路徑可選，一條通道備用 ■ 斷線時(shí) ■ 自動識別故障點(diǎn) ■ 故障點(diǎn)隔離 ■ 網(wǎng)絡(luò)重配置 ■ 啟用備用通道，建立兩條數(shù)據(jù)路徑 ■ 恢復(fù)通訊[/align] SynqNet運(yùn)動控制總線及運(yùn)動控制卡 　　 SynqNet運(yùn)動控制總線 　　 SynqNet運(yùn)動控制總線是Danaher Motion公司開發(fā)的、基于工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)動控制級總線。 　　 SynqNet運(yùn)動控制總線是一個(gè)高性能、全數(shù)字的開放性同步運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)，它采用一種實(shí)時(shí)、同步數(shù)字網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)及雙冗余數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)，從而可在各種復(fù)雜應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)卓越的運(yùn)動性能，并確保機(jī)器運(yùn)行的高可靠性。 　　 高性能的運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)需要密切管理的定時(shí)機(jī)制，以確保多個(gè)軸的同步和實(shí)時(shí)更新。盡管以太網(wǎng)為采用分布式控制的一般應(yīng)用提供了足夠性能，但它的速度過慢，無法在苛刻的環(huán)境中使用，在這些環(huán)境中，人們需要使用一個(gè)快速同步網(wǎng)絡(luò)將集中式運(yùn)動處理器與多個(gè)伺服軸相連。SynqNet 是第一個(gè)商業(yè)性100BaseT （IEEE802.3） 網(wǎng)絡(luò)，提供了集中式控制模型的全部性能優(yōu)勢，在性能、容錯(cuò)、可靠性和診斷功能上都得到增強(qiáng)。SynqNet 專門支持高性能集中式控制系統(tǒng)，具有自修復(fù)操作、基于發(fā)現(xiàn)的簡單組態(tài)以及很高的抗噪聲干擾性能。另外，SynqNet 還得到提供眾多低成本產(chǎn)品的多家驅(qū)動器供應(yīng)商的支持，提供了獨(dú)特的性能/價(jià)格比優(yōu)勢，從而被越來越多的行業(yè)巨頭和原始設(shè)備供應(yīng)商（OEM）客戶所采用。 　　 SynqNet運(yùn)動控制總線技術(shù)優(yōu)勢 　　 SynqNet運(yùn)動控制總線具有以下特性： 　　 ■開放式、經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證的IEEE 802.3-100BaseT 物理層； 　　 ■針對噪聲抗擾度和電纜短路的電氣隔離、冗余自恢復(fù)的容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，自動網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和完整性檢驗(yàn)，確保網(wǎng)絡(luò)的可靠性； 　　 ■節(jié)點(diǎn)之間電纜可長達(dá)100米，利于實(shí)現(xiàn)分布控制； 　　 ■伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)矩刷新率高達(dá)48kHz（20.83us，ZMP卡帶4軸時(shí)），確保伺服準(zhǔn)確與快速的兼顧性能，利于實(shí)現(xiàn)集中控制，適合控制復(fù)雜機(jī)器的中央控制體系結(jié)構(gòu)； 　　 ■支持多達(dá)32個(gè)協(xié)調(diào)軸，實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)控制； 　　 ■固件/驅(qū)動配置可下載，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動性能的遠(yuǎn)程組態(tài)、更新和故障診斷； 　　 ■開放的/經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)、多廠商支持的解決方案； 　　 SynqNet運(yùn)動控制總線：冗余自恢復(fù)的容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò) 　　 支持SynqNet運(yùn)動控制總線的運(yùn)動控制卡 　　 這是一款高性能的運(yùn)動控制卡，MEI的應(yīng)用程序編程接口（MPI）設(shè)計(jì)用于多線程環(huán)境，支持Windows 2000/NT/XP 及以下實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：VxWorks®enturCom RTX®ynxOS、PharLap ETS 和QNX®Ａ磽?，Linux 版本的MPI 還可用于RedHat 操作系統(tǒng)。 　　 MPI 應(yīng)用程序很容易在Microsoft Visual Studio 或Borland C++Builder 等集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)操作系統(tǒng)的不同，也可以使用其它編譯程序，如Linux 通用GNU 編譯程序。 　　 所有其它運(yùn)動實(shí)用程序和軟件工具都可在Windows 2000/NT/XP 系統(tǒng)上運(yùn)行。如果運(yùn)動控制主機(jī)運(yùn)行Linux、VxWorks 或其它實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的情況下，所有實(shí)用程序都具有TCP/IP 功能，允許遠(yuǎn)程主機(jī)運(yùn)行應(yīng)用程序。 　　 MEI SynqNet 是一些基于PC 的平臺，但eXMP-SynqNet 獨(dú)立控制是例外，它是計(jì)算機(jī)和SynqNet 控制器在的一種方便組合。 　　 ZMP-SynqNet-PCI運(yùn)動控制卡采用實(shí)時(shí)64位雙精度浮點(diǎn)Motorola PowerPC微處理器，CPU 466MHz、16MB 133MHz SDRAM，強(qiáng)大的處理能力和運(yùn)算速度，使理論上處理4個(gè)伺服軸時(shí)節(jié)點(diǎn)伺服刷新率高達(dá)48kHz，處理12個(gè)伺服軸時(shí)節(jié)點(diǎn)伺服刷新率高達(dá)16kHz。使用帶有MEI MechaWare 庫的MatLab? 和Simulink?，可以迅速建立任何系統(tǒng)的模型，并通過SynqNet 控制器加以實(shí)現(xiàn)：多種濾波器、狀態(tài)觀察器、狀態(tài)反饋、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、使用ZMP 的64 位雙精度計(jì)算、復(fù)雜傳動跟隨方法、增益切換、振動控制、復(fù)雜多入多出（MIMO）的工廠模型、易于定義的臺架控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及可以設(shè)計(jì)自定義控制方案等等強(qiáng)大功能。 　　 SynqNet運(yùn)動控制總線及運(yùn)動控制卡的應(yīng)用 　　 在伺服更新速率、遠(yuǎn)程診斷以及服務(wù)通道方面，SynqNet 是目前為止市場上出現(xiàn)的性能最高的運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)。大量的市場應(yīng)用案例已經(jīng)證明，作為一個(gè)高性能、全數(shù)字的同步運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)，SynqNet 可以幫助用戶極大地降低成本，縮短機(jī)器設(shè)計(jì)和制造的周期。 　　 SynqNet 非常適用于半導(dǎo)體、電子組裝、平板顯示器、醫(yī)療、數(shù)控系統(tǒng)以及工業(yè)機(jī)器人行業(yè)中的機(jī)器級控制。特別對于醫(yī)療應(yīng)用來說，SynqNet 是唯一的一個(gè)可取得高安全性和高機(jī)器利用率的“自修復(fù)”容錯(cuò)運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)。