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直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

控制工程中文版 ? 來(lái)源:控制工程中文版 ? 2023-02-03 16:20 ? 次閱讀

直驅(qū)技術(shù)被國(guó)外工業(yè)界稱(chēng)之為現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)中的先進(jìn)方法和技術(shù),被越來(lái)越多地應(yīng)用到各行業(yè)中。作為直驅(qū)技術(shù)最主要和關(guān)鍵的部分即為直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)DDR)和直驅(qū)式直線(xiàn)電機(jī)(DDL),它不是簡(jiǎn)單的將旋轉(zhuǎn)電機(jī)或直線(xiàn)電機(jī)搬到系統(tǒng)中去,而是要將這兩種電機(jī)根據(jù)不同的系統(tǒng)和工況進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

隨著用戶(hù)對(duì)直線(xiàn)電機(jī)的需求與日俱增,直驅(qū)產(chǎn)品的每年增長(zhǎng)率大概在6%左右。相較于傳統(tǒng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),直驅(qū)運(yùn)動(dòng)有以下優(yōu)缺點(diǎn):

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首先是運(yùn)動(dòng)速度快,同時(shí)有很小的摩擦力,系統(tǒng)的剛性也非常好。此外,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,避免為了提高精度而使用第二編碼器的同時(shí),也有維護(hù)性好、可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行、精度更高等優(yōu)點(diǎn)。

但是相對(duì)于傳統(tǒng)的伺服電機(jī),它的制造成本會(huì)高一點(diǎn)。同時(shí)由于直線(xiàn)導(dǎo)軌摩擦力小,就需要更好的控制算法進(jìn)行控制。為了提高系統(tǒng)的剛性,還需要高增益及抑制震動(dòng),整定時(shí)間要求相對(duì)也高。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率,需要相應(yīng)的編碼器提供支持。

直驅(qū)技術(shù)廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體設(shè)備、跟視覺(jué)搭配的檢測(cè)設(shè)備、焊線(xiàn)機(jī)、平板顯示和3C,這類(lèi)對(duì)精度和效率要求很高的行業(yè)。當(dāng)然,為了提高機(jī)臺(tái)的運(yùn)行速度和精度,現(xiàn)在在CNC機(jī)床也開(kāi)始應(yīng)用直驅(qū)產(chǎn)品。除此之外,還有光伏、鋰電、高速搬運(yùn)等領(lǐng)域,直線(xiàn)電機(jī)也成為了許多用戶(hù)的首選。

01

直線(xiàn)電機(jī)的控制難題

當(dāng)然,直線(xiàn)電機(jī)對(duì)于控制的要求也非常高,首先要求高速、整定時(shí)間短,特別是在如焊線(xiàn)機(jī)等取放應(yīng)用中,運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制一定要穩(wěn)定、速度波動(dòng)小。在激光或檢測(cè)領(lǐng)域,同時(shí)對(duì)于定位精度的要求也非常高,還有一些特殊的應(yīng)用,要支持位置比較輸出功能等。

在特殊的應(yīng)用結(jié)構(gòu)中,例如龍門(mén)就需要驅(qū)動(dòng)器提供更好的支持,這需要產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出特別算法來(lái)做支持。為此,非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)控制或基于頻域線(xiàn)性分析,成為了直驅(qū)控制方式的最佳選擇。

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傳統(tǒng)的手段是三環(huán)控制,即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。這種控制方式有自身的優(yōu)缺點(diǎn),比如它的PI、PID有固定的誤差,如果增加前饋會(huì)增加它的超調(diào)和整定時(shí)間。而采用HD(非線(xiàn)性控制)方式就可以克服這一困難,能把速度環(huán)跟位置環(huán)合二為一,最大程度提高系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬。

同時(shí),憑借自適應(yīng)的增益矩陣,可以根據(jù)位置、速度誤差進(jìn)行自適應(yīng),為企業(yè)提供最佳的控制方式、最小的整定時(shí)間,并達(dá)到最佳的控制效果。值得一提的是,高創(chuàng)傳動(dòng)的CDHD系列產(chǎn)品可以同時(shí)支持線(xiàn)性控制及非線(xiàn)性控制。

此外,共振抑制是控制的常見(jiàn)難題。如果沒(méi)有開(kāi)啟共振抑制,會(huì)讓機(jī)臺(tái)末端一直抖動(dòng),沒(méi)法很好地控制誤差。為此,高創(chuàng)傳動(dòng)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了可以立即觸發(fā)共振抑制的功能,用主動(dòng)阻尼的方式實(shí)現(xiàn)了共振的消除,并針對(duì)震動(dòng)設(shè)置了多達(dá)三組的共振抑制點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果。

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▲未開(kāi)啟(上圖)和開(kāi)啟共振抑制對(duì)比

針對(duì)各種復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)景的要求,我們提出了用頻率分析的方式,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻分析,以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。我們采用了多項(xiàng)式的線(xiàn)性控制算法,分別設(shè)置它的零極點(diǎn),根據(jù)頻率的模型進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試設(shè)計(jì)。

一般可分成幾個(gè)步驟:第一步掃頻,用信號(hào)注入白噪聲,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻率分析,通過(guò)設(shè)置不同的頻率范圍,涵蓋整個(gè)機(jī)臺(tái)響應(yīng)的頻率點(diǎn),且需要考慮克服摩擦力的影響,以得到更精準(zhǔn)、更可靠的頻率分析圖。

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采樣得到頻率分析圖后,我們就可以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,根據(jù)共振點(diǎn)設(shè)計(jì)零極點(diǎn)的數(shù)目,并找到合適的模型匹配,在模型中就可以看到零點(diǎn)、極點(diǎn)以及頻率和幅值的帶寬。

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根據(jù)生成的圖形,我們?yōu)榱朔奖憧蛻?hù)使用,會(huì)采用自動(dòng)生成控制參數(shù)的方式,自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)的濾波器,同時(shí),也可以根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)特性和實(shí)際效果進(jìn)行微調(diào),以最大程度地提高機(jī)臺(tái)性能,簡(jiǎn)化客戶(hù)的使用體驗(yàn)。

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02

直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用實(shí)例

眾所周知,龍門(mén)控制是一個(gè)比較有挑戰(zhàn)的應(yīng)用場(chǎng)景?,F(xiàn)在隨著機(jī)臺(tái)越做越大、要求越來(lái)越高,龍門(mén)成為了提高系統(tǒng)機(jī)臺(tái)速度、加速度以及負(fù)載能力的常見(jiàn)方案,它的控制也是一大難題。

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首先,龍門(mén)要求兩個(gè)軸能在高速運(yùn)行過(guò)程中中互不干擾。高創(chuàng)傳動(dòng)提出用交叉解耦的控制方式,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的完美同步,并減少30%工作中的消耗電流,同時(shí)支持柔性及剛性龍門(mén),而驅(qū)動(dòng)器間則采用10Mb/s的龍門(mén)通信線(xiàn)進(jìn)行信息傳輸。

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位置誤差補(bǔ)償是提高系統(tǒng)精度的法寶。高創(chuàng)傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器可以?xún)?nèi)建位置誤差補(bǔ)償,支持1000個(gè)補(bǔ)償點(diǎn),同時(shí)支持直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

為了更好的客戶(hù)體驗(yàn),激光干涉儀產(chǎn)生的文件也可以不需要做任何修改,一鍵導(dǎo)入到驅(qū)動(dòng)器中,最大程度方便客戶(hù)的使用。采用了誤差補(bǔ)償之后,也可以極大提高系統(tǒng)的絕對(duì)精度。同時(shí),控制器也可支持三維空間的位置誤差補(bǔ)償。

03

直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái),隨著用戶(hù)對(duì)控制的要求越來(lái)越高,運(yùn)動(dòng)控制的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,使得機(jī)械制造的成本逐漸降低,產(chǎn)能提高、交付縮短、開(kāi)發(fā)周期變短,讓企業(yè)更迫切地需要更高的精度和更少的維護(hù)。

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同時(shí),廠商也更傾向于使用更好的設(shè)備、更好的控制條件來(lái)滿(mǎn)足自身需求。這也勢(shì)必會(huì)讓機(jī)器向輕型化發(fā)展,機(jī)械結(jié)構(gòu)也將更加柔性靈活,這也將加大對(duì)驅(qū)動(dòng)器和控制器的要求。不僅如此,機(jī)械設(shè)備種類(lèi)變化快、規(guī)模大,也要求驅(qū)動(dòng)器、控制器需要自動(dòng)調(diào)試,不斷提高應(yīng)用性。

以直線(xiàn)電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用為例,直線(xiàn)電機(jī)的加入,可以更好地提高傳統(tǒng)機(jī)器人的響應(yīng)速度。此外,傳統(tǒng)的Delta機(jī)器人都是伺服來(lái)帶的,當(dāng)加上直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后,也可以大幅提高這類(lèi)機(jī)器人的精度和速度。

不僅如此,LMS系統(tǒng)也是目前行業(yè)內(nèi)的熱門(mén)領(lǐng)域,可以替代傳統(tǒng)的傳輸帶。其電機(jī)形式也比較新穎,采用定子運(yùn)動(dòng)、線(xiàn)圈固定的方式,而線(xiàn)圈會(huì)根據(jù)定子進(jìn)行驅(qū)動(dòng),控制上就要求控制器、驅(qū)動(dòng)器以及編碼器的一體性,對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求更高。為此,更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器和控制器已成為企業(yè)的剛需。

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未來(lái)在易用性方面,我們需要自動(dòng)調(diào)試、一鍵自整定,實(shí)現(xiàn)調(diào)試參數(shù)的最優(yōu)化;在穩(wěn)定性層面,驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品要更加穩(wěn)定可靠,特別是解決干擾和通信的問(wèn)題;此外,對(duì)于第三方的支持也一定要廣泛,特別是連接傳感器、視覺(jué)等第三方核心工藝器件,都要讓客戶(hù)可以簡(jiǎn)單地連接使用。

在控制層面,我們需要集成更高階、更豐富的算法,來(lái)實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用、各種領(lǐng)域的更好設(shè)置和最佳性能。為應(yīng)對(duì)許多用戶(hù)對(duì)即插即用的需求,簡(jiǎn)單的接口和良好的用戶(hù)界面是一大法寶。同時(shí),我們的機(jī)臺(tái)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器、控制器要可以像子系統(tǒng)一樣,嵌入到客戶(hù)的機(jī)臺(tái)中,逐漸縮小尺寸,簡(jiǎn)化布線(xiàn)。

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▲更強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器

隨著未來(lái)工業(yè)的發(fā)展,工業(yè)4.0時(shí)代的驅(qū)動(dòng)器、控制器要更加智能化,且要擁有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理和云端的能力。對(duì)于高端應(yīng)用,解決方案要聚焦在提高穩(wěn)定性能和適應(yīng)能力,在低端應(yīng)用場(chǎng)合,則需要更注重易用性、即插即用和簡(jiǎn)單直觀的用戶(hù)界面。





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:高創(chuàng)傳動(dòng):直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

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