面向伺服驱动器的运动控制解决方案

以下文章来源于亚德诺半导体 ，作者ADI

智能运动控制是高度敏捷且可持续制造的核心，工业现场中从泵到传送带、挤压冲床再到机器人，电机及电机驱动器起到举足轻重的作用。电机在我们生活中已极其普遍，现安装电机约有上亿台，每年新增部署约千万台

伺服系统在工业系统扮演着重要角色，电机驱动器通过收集和传输电机数据，有效的支持了数字化转型和敏捷生产，并且通过提高部署电机的能效以减少碳排放来对可持续发展产生重大影响。工业消耗的能源约占总能源的30%，而电机消耗了大约70%的工业能源，如果每台电机通过适当的负载匹配及电机驱动器都以尽可能高效的方式驱动，全球能源用量则有望减少10%。

ADI最新上线的解决方案《ADI面向高性能伺服驱动器的可持续运动控制解决方案》从工业电机控制系统、工业电机控制中的电流反馈、工业以太网连接以及网络安全四个方面，为大家介绍了智能运动的全套解决方案。

一 工业电机控制系统

工业中绝大多数电机都直接连接到交流电网，并以固定转速运行，而电机变速运行可以节省大量系统能源。变速电机推动着逆变器驱动电机系统的转变：虽然开环逆变器系统控制精度有限且足以支持许多应用，但包含位置和电流控制器的变速驱动器可为要求更高的应用提供更佳的性能，也对电机速度和扭矩的精密控制有利。不同系统在控制性能方面差异较大，在复杂的工业机械中不同系统可组合使用并以同步方式运行。

变速驱动器和以此为基础的多轴机械的主要趋势是朝着更广泛、更透明的互联互通迈进，如今表现为在更广泛的工业系统中通过以太网进行连接，这给控制、实时洞察和生产力带来了巨大的优势，但也提出了与网络安全相关的新挑战。

图1：变速电机驱动器架构

变速电机驱动器系统框架概述

图1框图示例了中高性能变速驱动器的典型信号链，大体有几大主要模块：

高压电源

控制电源

编码器

控制器

三相逆变器

信号隔离

安全控制

安全连接

逆变器及控制信号关键元件概述

在逆变和控制信号链中，ADI拥有广泛的产品线且提供了系统鲁棒性，图2示出了信号链中的若干关键器件：

电流检测

编码器

编码器RS485接口

控制器

工业以太网连接

电源

图2. 逆变器及控制信号链关键元件示例

第一部分中关于变速电机驱动器架构的几大模块以及信号链中的关键器件，文档《ADI面向高性能伺服驱动器的可持续运动控制解决方案》中都做了详细的介绍，建议下载文档查看。

二 工业电机控制中的电流反馈

电流反馈是伺服驱动器整体控制性能的基本组成部分，在进行电流反馈路径的设计时，需要注意几个部分：

1）电流测量需要与PWM周期同步，尽量不将高频开关电流纹波引入反馈路径，通常采用14至16位测量分辨率对至少两个电机相位同时采样， 延迟低至微秒级以便控制环路能够在电流PWM周期内做出响应；

2）低失调漂移是一个重要特性，这有助于尽可能地减少由相间偏移引起的任何扭矩纹波；

3）电流测量需要被隔离或在较低的电压系统中进行且具有高共模能力。

电流反馈实现的几种不同方法

电流反馈的实现方法并非唯一，大致可以概括为如下几种：

串联分流器检测

隔离电流检测

类相分流电阻检测

电流电压反馈主要器件及规格

下面列出了伺服电机电流和电压反馈设计中若干器件的重要规格：

ADuM770x：隔离式Σ-∆ ADC，超低失调漂移有助于减少扭矩纹波。

ADuM4195-1：用于电压和电流反馈的新型隔离放大器。通

AD7380：先进的双通道同步16位或14位SAR ADC

AD8411：适用于较低电压系统的高共模电流检测放大器

图3.电流反馈方案示例

第二部分电流反馈实现的方法、电流电压反馈主要器件及规格在问文档《ADI面向高性能伺服驱动器的可持续运动控制解决方案》中均做了详细的介绍和举例，请下载文档查看。

三 工业以太网连接

工业以太网是工业自动化系统转变中的关键推动因素，使得每个伺服驱动器都可以连上IP网络，发送和接收数据并接收来自整个系统的命令。因此，整个生产系统具有更大的透明度和洞察力，有助于提高生产力和效率。

ADI拥有广泛的工业以太网产品组合来满足伺服驱动器的这些需求，适用于确定性应用的可扩展以太网解决方案细分如下：

10/100Mb工业以太网技术

TSN技术

单对以太网技术

以上三种解决方案稳健灵活，可连接各种微控制器和/或处理器。下载文档《ADI面向高性能伺服驱动器的可持续运动控制解决方案》查看有关以上三种技术的详细说明。

四 网络安全

联网的电机驱动器更加智能，但也会比传统电机驱动器遭受更多的网络攻击，在网络安全方面存在极大隐患的同时，系统也可能面临不同类型的威胁：

第一类威胁可能是恶意软件的威胁

第二类威胁可能是来自不可信来源的命令

第三类威胁可能是窃听威胁

最新的一类威胁是窃取知识产权

关于以上四类威胁的详细介绍，请下载文档《ADI面向高性能伺服驱动器的可持续运动控制解决方案》进行查看。

加密

既然联网的电机驱动器易于受到威胁，那需要采取哪些技术来保护设备免受网络攻击？

方法之一就是通过加密来保护数据安全。一般采用对称加密，这是保护数据的最快方式。

另一个重要加密技术是身份验证，与对称加密相反，非对称加密可以更好地实现身份验证，采用ECDSA P256机制进行。

非对称密钥案例说明

为了清晰的了解身份验证，图4案例形象的示出了流程过程。流程说明请查看文档文档《ADI面向高性能伺服驱动器的可持续运动控制解决方案》。

图4. 使用非对称密钥进行身份验证ECDSA-P256案例

安全认证器

ADI提供的安全认证器保障了电机驱动器的安全性，认证器通过I2C或SPI接口连接到微控制器。这些认证器是预编程设备，其功能对任何联网设备的安全性都至关重要。认证器需要达到三个关键的安全目标（图5形象地给出了说明）：

设备信任

安全存储

安全通信

图5. 安全认证器可确保电机驱动器安全

关于设备信任、安全存储以及安全通信的详细介绍及相关器件推荐，请查看文档文档《ADI面向高性能伺服驱动器的可持续运动控制解决方案》。

智能运动是工业自动化系统的核心，电机及其电机驱动器在信号链中处于重要地位。任何解决方案都要确保电机可以精准、可靠、安全地工作。ADI凭借深厚的技术积累，针对伺服驱动信 号链，就精密电流和位置反馈、信号和栅极驱动隔离、电源管理、机器健康和数字安全，提供了完整的全套解决方案，助力客户解决复杂多样的系统难题。