銑(xi)床(chuang)沿(yan)預(yu)定(ding)路(lu)徑(jing)移(yi)動(dong)高(gao)速(su)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)切(qie)割(ge)工(gong)具(ju)
，對(dui)固(gu)體(ti)金(jin)屬(shu)塊(kuai)進(jin)行(xing)切(qie)削(xue)，從(cong)而(er)生(sheng)產(chan)金(jin)屬(shu)製(zhi)品(pin)部(bu)件(jian)。精(jing)密(mi)加(jia)工(gong)是(shi)一(yi)個(ge)多(duo)步(bu)驟(zhou)過(guo)程(cheng)，先(xian)是(shi)粗(cu)略(lve)切(qie)削(xue)，然(ran)後(hou)經(jing)過(guo)多(duo)道(dao)精(jing)細(xi)切(qie)削(xue)才(cai)能(neng)達(da)到(dao)要(yao)求(qiu)。多(duo)個(ge)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)進(jin)給(gei)主(zhu)軸(zhou)和(he)多(duo)個(ge)絲(si)杠(gang)來(lai)定(ding)位(wei)工(gong)具(ju)頭(tou)。電(dian)機(ji)位(wei)置(zhi)與(yu)速(su)度(du)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)功(gong)率(lv)和(he)剛(gang)度(du)決(jue)定(ding)了(le)支(zhi)持(chi)特(te)定(ding)表(biao)麵(mian)處(chu)理(li)精(jing)度(du)水(shui)平(ping)的(de)最(zui)大(da)切(qie)削(xue)速(su)率(lv)。因(yin)此(ci)
，高(gao)性(xing)能(neng)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)提(ti)高(gao)切(qie)削(xue)速(su)率(lv)或(huo)減(jian)少(shao)切(qie)削(xue)次(ci)數(shu)


，從(cong)而(er)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)銑(xi)削(xue)過(guo)程(cheng)效(xiao)率(lv)。每(mei)次(ci)操(cao)作(zuo)都(dou)選(xuan)擇(ze)最(zui)佳(jia)運(yun)動(dong)方(fang)案(an)

，以(yi)及(ji)盡(jin)量(liang)縮(suo)短(duan)刀(dao)具(ju)更(geng)換(huan)時(shi)間(jian)
，同(tong)樣(yang)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)生(sheng)產(chan)率(lv)和(he)能(neng)效(xiao)。生(sheng)產(chan)質(zhi)量(liang)取(qu)決(jue)於(yu)絲(si)杠(gang)的(de)精(jing)度(du)和(he)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)軸(zhou)位(wei)置(zhi)與(yu)速(su)度(du)控(kong)製(zhi)。最(zui)新(xin)銑(xi)床(chuang)有(you)五(wu)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)的(de)控(kong)製(zhi)軸(zhou)，支(zhi)持(chi)以(yi)最(zui)少(shao)的(de)工(gong)件(jian)設(she)置(zhi)操(cao)作(zuo)次(ci)數(shu)加(jia)工(gong)出(chu)複(fu)雜(za)的(de)形(xing)狀(zhuang)。大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)線(xian)所(suo)用(yong)的(de)專(zhuan)用(yong)加(jia)工(gong)中(zhong)心(xin)甚(shen)至(zhi)包(bao)括(kuo)更(geng)多(duo)的(de)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)器(qi)，支(zhi)持(chi)多(duo)個(ge)金(jin)屬(shu)加(jia)工(gong)並(bing)行(xing)操(cao)作(zuo)和(he)類(lei)機(ji)器(qi)人(ren)功(gong)能(neng)，使(shi)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)實(shi)現(xian)完(wan)全(quan)自(zi)動(dong)化(hua)。機(ji)器(qi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)如(ru)何(he)讓(rang)多(duo)個(ge)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)軸(zhou)的(de)操(cao)作(zuo)和(he)運(yun)動(dong)方(fang)案(an)同(tong)步(bu)
，從(cong)而(er)在(zai)維(wei)持(chi)產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)不(bu)變(bian)的(de)同(tong)時(shi)
，使(shi)機(ji)器(qi)吞(tun)吐(tu)效(xiao)率(lv)最(zui)大(da)化(hua)。

 

精密運動控製

 

控製現代工廠所用自動化機器的各種元件如圖1所示。中央數字控製器(CNC)或可編程邏輯控製器(PLC)管理機器操作，並且為機器中每個伺服電機軸產生運動軌跡規劃。每個伺服驅動器包括多個控製環路來管理機械係統動態特性、電磁扭矩產生和電路動態特性。各控製元件的性能對機器吞吐效率和表麵處理質量至關重要。計算機輔助製造(CAM)工具根據產品圖紙、材料特性、機器和刀具能力
，產生成品所需的機加工操作組合運動方案。然後
，由自動化機器執行這些方案來製造產品。

 

圖1. 自動化機器控製係統

 

完整的機器控製功能包括多個級聯控製環路。考慮絲杠(用於將旋轉轉變為線性運動)提供的傳動裝置
，CNC將機器空間(x、y和z)運動配置轉換為每個電機軸的(θ或ω)運yun動dong配pei置zhi。每mei種zhong運yun動dong配pei置zhi由you時shi間jian中zhong的de位wei置zhi或huo速su度du集ji合he來lai定ding義yi。軸zhou間jian的de時shi序xu同tong步bu非fei常chang重zhong要yao
，因yin為wei時shi序xu誤wu差cha對dui一yi個ge軸zhou的de影ying響xiang與yu位wei置zhi和he速su度du誤wu差cha相xiang同tong。

 

伺服驅動速度環路的功能是計算跟隨目標速度曲線所需的電機扭矩指令(T*)。chengpindejingduhebiaomianzhiliangqujueyujiqinengfoujingquediyindaoqiexuegongjuyanmubiaolujingyidong。jijiagongcaozuodetiaozhanzaiyujinshuqiexueguochengshifeilianxude，yinweicailiaoyisuipianxingshituoluo
，yinci，sifuqudongfuzaiyehuixunsubianhua。suduhuanlubixunenggouzaiqiexuecaozuozhongweichihengdingdesuduerbushoufuzaibianhuadeyingxiang，bingqiezaidaojugenghuancaozuozhongnenggouxunsuxiangyingsuduzhiling。disushidekongzhizhilianggaoduqujueyuweizhifankuidefenbianlv
，yinweixuyaogaocaiyangsulvweifenqilaichanshenggaodongtaisuduxinhao。

 

機床驅動所用的精密編碼器采用快速模數轉換器在編碼器計數之間插值，以提供更高的分辨率。例如
，一個4096線編碼器采用簡單的數字接口時
，可提供14位/轉的位置分辨率

，而采用插值方法時，其分辨率至少可擴展至22位/轉。位置分辨率提高到22位之後
，在4位速度分辨率和1 RPM的條件下，采樣速率可達4 kHz，而之前在4位速度分辨率和60 RPM的條件下
，采樣速率隻有1 kHz。

 

在永磁交流伺服電機中，為了高效率
、高動態地產生扭矩，要求正弦定子電流與轉子磁體角位置對齊
，如圖2所示。電流和磁場對齊控製確保電機扭矩滿足速度環路的動態要求。PWMhenibianqifankuigelimokuaibaokuozaidianlukongzhigongnengzhong。sanxianggonglvnibianqijiangsuoxudedianyashijiayudianjiraozuyiqudongmubiaoraozudianliu。dianliufankuigongnengjiangraozudianliuceliangyugaoyanibianqigeli，bingxiangcichangduiqimokuaitigongfankuixinhao。dianliufankuidejingdujuedingniujuchanshengdezhiliang，yinweifankuizhongdezengyi

、失(shi)調(tiao)或(huo)非(fei)線(xian)性(xing)誤(wu)差(cha)會(hui)產(chan)生(sheng)紋(wen)波(bo)扭(niu)矩(ju)
，進(jin)而(er)表(biao)現(xian)為(wei)對(dui)速(su)度(du)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)負(fu)載(zai)幹(gan)擾(rao)。在(zai)某(mou)些(xie)精(jing)密(mi)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)中(zhong)，有(you)一(yi)個(ge)附(fu)加(jia)環(huan)路(lu)也(ye)會(hui)補(bu)償(chang)定(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)線(xian)槽(cao)與(yu)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)鐵(tie)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)所(suo)引(yin)起(qi)的(de)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)內(nei)部(bu)扭(niu)矩(ju)紋(wen)波(bo)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)都(dou)能(neng)改(gai)善(shan)電(dian)機(ji)的(de)低(di)速(su)性(xing)能(neng)，最(zui)終(zhong)增(zeng)強(qiang)成(cheng)品(pin)的(de)精(jing)度(du)和(he)表(biao)麵(mian)質(zhi)量(liang)。

 

驅動架構

 

如上所述，驅動係統性能由多個方麵決定，例如控製架構、電機設計
、功率電路、反饋傳感器和控製處理器。麵對日益提高的驅動性能、linghuoxinghechengbenyaoqiu，yijimoniheshuzidianzikongzhiyuanjiandejinbu
，kongzhijiagouzaibuduanfazhan。jiyumonidianludechuantongsifukongzhiyibeishiyongqianrushichuliqideshuzikongzhisuoqudai。lingwai，CNC的速度指令信號原先是精密模擬信號
，現已變為數據包通過實時(RT)工業網絡發送。因此
，除了控製和功率電路以外，現代伺服驅動係統還包括通信接口。

 

驅qu動dong係xi統tong永yong遠yuan存cun在zai的de電dian路lu設she計ji挑tiao戰zhan是shi如ru何he將jiang高gao壓ya功gong率lv電dian路lu與yu用yong戶hu連lian接jie的de控kong製zhi和he通tong信xin電dian路lu安an全quan地di隔ge離li。有you一yi個ge常chang見jian架jia構gou可ke降jiang低di逆ni變bian器qi信xin號hao隔ge離li困kun難nan
，即ji功gong率lv電dian路lu與yu控kong製zhi處chu理li器qi接jie地di直zhi連lian
，控kong製zhi處chu理li器qi與yu通tong信xin接jie口kou之zhi間jian使shi用yong隔ge離li柵zha。伺si服fu驅qu動dong應ying用yong更geng常chang見jian的de架jia構gou選xuan擇ze是shi將jiang安an全quan隔ge離li柵zha放fang在zai功gong率lv級ji與yu控kong製zhi處chu理li器qi之zhi間jian，而er控kong製zhi處chu理li器qi與yu通tong信xin接jie口kou直zhi連lian。還hai有you一yi種zhong不bu那na麼me常chang見jian的de架jia構gou，即ji把ba安an全quan隔ge離li柵zha分fen散san在zai功gong率lv
、控製和通信之間。這會降低每個隔離柵的隔離標準要求，而且可以縮小係統的整體尺寸。

 

圖3顯示了一個隔離控製架構實例，其中逆變器柵極驅動、電壓反饋和電機電流反饋信號與控製處理器相隔離
，但直連位置反饋傳感器

、yonghuhetongxinjiekou。zhezhongjiagoubujinweikongzhidianlutigonganquangeli，hainengyizhigaoyakaiguandianyuannibianqisuochanshengdedianluzaosheng。dianjidianliufankuiyouraozufenliuqihegelishiΣ-Δ調製器產生，這些調製器提供增益匹配、非常低的失調和非常高的線性度。完整的電流反饋信號路徑還包括控製處理器，其上的可編程sinc3濾波器還具有輸出短路檢測功能。模擬信號隔離器提供逆變器總線電壓隔離，此信號由嵌入式采樣ADC獲得。控製處理器上的正交編碼器外設(QEP)支持簡單的數字編碼器接口

，但帶插值電路的更高分辨率編碼器通常使用高速串行接口，以便按需發送位置和速度信息。

 

圖2 兩相永磁交流電機磁場對齊

 

圖3. 采用隔離式控製架構的雙軸電機控製係統
，使用ADSP-CM408混合信號ASP和AD7403隔離式調製器

 

上例中的實時(RT)以太網接口由一個FPGA電路提供，以便能夠靈活地支持自動化市場上的多種工業網絡協議。FPGA管理來自網絡的實時數據包
，而控製處理器則具備帶寬和存儲器來支持協議棧的管理。許多此類協議支持抖動要求小於1 μs的(de)同(tong)步(bu)實(shi)時(shi)控(kong)製(zhi)，這(zhe)會(hui)給(gei)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)帶(dai)來(lai)非(fei)常(chang)重(zhong)的(de)處(chu)理(li)負(fu)擔(dan)。如(ru)前(qian)所(suo)述(shu)，這(zhe)種(zhong)對(dui)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)同(tong)步(bu)的(de)要(yao)求(qiu)，與(yu)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)性(xing)能(neng)一(yi)樣(yang)重(zhong)要(yao)。在(zai)現(xian)代(dai)自(zi)動(dong)化(hua)機(ji)加(jia)工(gong)係(xi)統(tong)中(zhong)
，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)高(gao)生(sheng)產(chan)率(lv)和(he)高(gao)質(zhi)量(liang)成(cheng)品(pin)
，以(yi)上(shang)二(er)者(zhe)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)。自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)新(xin)興(xing)趨(qu)勢(shi)是(shi)利(li)用(yong)單(dan)個(ge)處(chu)理(li)器(qi)控(kong)製(zhi)兩(liang)到(dao)三(san)個(ge)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)並(bing)依(yi)賴(lai)單(dan)個(ge)實(shi)時(shi)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)。現(xian)在(zai)，高(gao)速(su)專(zhuan)用(yong)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)器(qi)(ASSP)便支持這種趨勢，例如ADPS-CM408，其包括一個高速浮點內核和多組電機控製與通信外設。

 

工gong業ye電dian機ji驅qu動dong應ying用yong展zhan現xian出chu來lai的de多duo種zhong多duo樣yang的de架jia構gou，突tu出chu說shuo明ming了le許xu多duo重zhong要yao的de電dian機ji驅qu動dong係xi統tong設she計ji挑tiao戰zhan仍reng然ran存cun在zai這zhe一yi事shi實shi。隨sui著zhe可ke用yong控kong製zhi處chu理li和he傳chuan感gan器qi反fan饋kui信xin號hao帶dai寬kuan的de增zeng加jia，自zi動dong化hua行xing業ye對dui更geng高gao精jing度du和he動dong態tai響xiang應ying的de需xu求qiu不bu斷duan提ti高gao。新xin材cai料liao、傳感器
、控製
、通信電路架構，甚至更多的算法和軟件，很可能會繼續滿足自動化生產行業對更高生產率和更高質量的需求。

 

參考文獻

 

Will Dalrymple，“高速移動的機械。”Machinery.co.uk，第173卷，第4232期
，2015年1月。

Ferrari C.B.
，“無與倫比的精度。”運動世界，第9卷，第2期，2010年。

 

 

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