驱动多轴伺服控制系统中的同步精密运动

自动化精密制造使当今许多高科技设备的进步和广泛可用成为可能。现代时尚的手机依靠复杂的金属加工工艺和精细的表面精加工能力来生产制造机械部件所需的模具。手机中微小但功能强大的电子元件的生产依赖于自动化IC晶圆加工和精密引线键合设备。大型设备也需要高精度和精加工质量。例如，现代喷气发动机依靠精细平衡和精确匹配的涡轮叶片来实现高燃油效率和安静运行。先进的电子控制和形状复杂的精密发动机部件优化了燃烧过程，从而提高了汽车发动机的燃油效率。

铣床通过沿预定义路径高速旋转的切削刀具来切割材料，从而对金属进行成型。精密加工是一个多步骤的过程，包括第一次粗切，然后进行多次更精细的切割，以达到所需的光洁度。多个电机驱动工具主轴和定位工具头所需的多个丝杠。电机位置和速度伺服驱动器的功率和刚度（负载抑制）设置最大切削速率，以支持特定水平的表面光洁度精度。因此，电机驱动性能通过实现更高的切削率或更少的切削次数直接影响铣削工艺效率。通过为每次操作选择最佳运动曲线并最大限度地减少更换切削刀具的时间，还可以最大限度地提高生产和能源效率。生产质量由丝杠的精度以及电机驱动轴位置和速度控制决定。最新的铣床具有五个或更多控制轴，以支持以最少的工件设置操作创建复杂的形状。大批量生产线中使用的专用加工中心包括更多的伺服驱动器，以支持并行的多种金属加工操作和机器人功能，以实现过程的完全自动化。机器设计人员面临的挑战是同步多个伺服驱动轴的操作和运动曲线，以最大限度地提高机器吞吐量，同时保持产品质量。

精密运动控制

控制现代工厂中使用的自动化机器的各种元件如图1所示。中央数字控制器 （CNC） 或可编程逻辑控制器 （PLC） 管理机器操作，并为机器中的每个伺服电机轴生成运动曲线。每个伺服驱动器都包括多个控制回路，用于管理机械系统动力学、电磁扭矩产生和电路动力学。这些控制元件的性能对机器产量和表面处理质量至关重要。计算机辅助制造 （CAM） 工具根据产品图纸、材料特性以及机床和工具功能，为创建成品所需的一组加工操作生成运动曲线。然后，自动化机器执行这些配置文件来制造产品。

图1.自动化机器控制系统。

完整的机器控制功能包括多个级联控制回路。CNC 将机床空间（x、y 和 z）运动曲线转换为每个电机轴的（θ 或 ω）运动曲线，考虑将旋转运动转换为直线运动的丝杠提供的齿轮。每个运动曲线都由一组位置或速度在时间上定义。轴之间的时序同步至关重要，因为时序误差与其中一个轴上的位置和速度误差具有相同的影响。

伺服驱动速度环的功能是计算遵循目标速度曲线所需的电机转矩命令（T*）。成品的精度和表面质量取决于机床沿目标路径精确引导切削刀具的能力。加工操作的挑战在于金属切削过程是不连续的，因为材料在切屑中剥落，因此伺服驱动负载变化迅速。速度回路必须能够在切削操作期间保持恒定的速度以应对负载变化，并在换刀操作期间快速响应速度命令。低速下的控制质量高度依赖于位置反馈的分辨率，因为需要高采样率差分器来产生高动态速度信号。机床驱动中使用的精密编码器使用快速模数转换器在编码器计数之间进行插值，以提供更高的分辨率。例如，4096 线编码器使用简单的数字接口提供 14 位/转的位置分辨率，但使用插补可以扩展到至少 22 位/转。位置分辨率增加到 22 位后，在 1 RPM 下支持 4 位速度分辨率，采样率为 4 kHz，而采样率仅为 1 kHz，在 60 RPM 下支持 4 位速度分辨率。

永磁交流伺服电机中的高效和高动态转矩产生需要正弦定子电流与转子磁体角位置对齐，如图2所示。电流和磁场对准控制确保电机转矩满足速度回路的动态要求。PWM和逆变器反馈隔离模块包含在电路控制功能中。三相电源逆变器向电机绕组施加所需的电压以驱动目标绕组电流。电流反馈功能将绕组电流测量值与高压逆变器隔离开来，并向现场对准模块提供反馈信号。电流反馈的精度决定了转矩产生的质量，因为反馈中的增益、偏移或非线性误差会产生纹波转矩，表现为速度控制器的负载扰动。在一些精密伺服驱动器中，附加回路还可以补偿伺服电机中由定子绕组槽和转子磁铁之间的相互作用产生的内部转矩脉动。所有这些都提高了电机的低速性能，最终提高了成品的精度和表面质量。

图2.两相永磁交流电机磁场对准。

驱动器架构

如前所述，驱动系统性能由多个元素定义，例如控制架构、电机设计、电源电路、反馈传感器和控制处理器。随着模拟和数字电子控制组件的进步，对驱动器性能、灵活性和成本的要求不断提高，控制架构也在不断发展。传统的基于模拟电路的伺服控制已被使用嵌入式处理器的数字控制所取代。此外，来自CNC的速度命令信号，以前是精密模拟信号，现在通过实时（RT）工业网络作为数据包传输。因此，现代伺服驱动系统包括一个通信接口以及控制和电源电路。

驱动系统中一直存在的电路设计挑战是将高压电源电路与用户连接的控制和通信电路安全地隔离开来。简化逆变器信号隔离挑战的一种常见架构是电源电路和控制处理器接地之间的直接连接，以及控制处理器和通信接口之间的隔离栅。伺服驱动应用更常见的架构选择是在功率级和控制处理器之间放置安全隔离栅，控制处理器直接连接到通信接口。不太常见的架构是在电源、控制和通信之间拆分安全隔离栅。这降低了每个屏障的隔离标准要求，并可能减小系统的整体尺寸。

使用隔离控制架构的示例（图3所示）显示了来自控制处理器的逆变器栅极驱动、电压反馈和电机电流反馈信号的隔离，但直接连接到位置反馈传感器和用户以及通信接口。这种架构不仅为控制电路提供了安全隔离，而且还抑制了高压开关电源逆变器产生的电路噪声。电机电流反馈由绕组分流器和隔离式Σ-Δ调制器产生，提供增益匹配、极低失调和非常高的线性度。控制处理器上的可编程sinc3滤波器完成电流反馈信号路径，还包括输出短路检测功能。模拟信号隔离器提供逆变器总线电压隔离，该信号由嵌入式采样ADC捕获。控制处理器上的正交编码器外设 （QEP） 支持简单的数字编码器接口，但带有插补电路的更高分辨率编码器通常使用高速串行接口按需传输位置和速度信息。

图3.采用隔离式控制架构的双轴电机控制系统，采用ADSP-CM408混合信号ASP和隔离式调制器AD7403。

上一示例中的实时（RT）以太网接口由FPGA电路提供，以支持自动化市场中的多种工业网络协议所需的灵活性。FPGA 管理来自网络的实时数据包，而控制处理器具有支持堆栈管理的带宽和内存。其中许多协议支持抖动规格低于1 μs的同步实时控制，这给通信接口带来了非常沉重的处理负担。如前所述，在现代自动化加工系统中提供高生产率和成品质量时，这种对伺服驱动器同步的要求与伺服驱动器性能同样重要。自动化系统的一个新兴趋势是使用单个处理器控制两个或三个伺服电机，并依赖于单个实时通信接口。ADSP-CM408等高速专用信号处理器（ASSP）支持了这一点，该处理器包括一个高速浮点内核和多组电机控制和通信外设。

工业电机驱动应用中的这种广泛的架构突显了这样一个事实，即许多重要的电机驱动系统设计挑战仍然存在。随着控制处理和传感器反馈信号带宽的可用性，自动化行业对更高精度和动态响应的需求也在增加。新材料、传感器、控制和通信电路架构，甚至更多的算法和软件，可能会继续满足自动化生产对更高生产率和更好质量的需求。

审核编辑：郭婷