精密直線電機(jī)ISD203智能伺服系統(tǒng)驅(qū)動器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

楊柳

摘要：精密直線電機(jī)ISD203智能伺服驅(qū)動器系統(tǒng)，集永磁同步電機(jī)（PMSM），內(nèi)置PLC、驅(qū)動、運(yùn)動控制功能于一體，可單獨(dú)使用或多臺組網(wǎng)構(gòu)成多軸控制系統(tǒng)，并可共享各軸的I/O，并支持定位、電子齒輪、凸輪、同步控制。驅(qū)動器內(nèi)部集成了單軸定位功能，各軸通過主從式的差分總線連接，通過總線傳輸參數(shù)、控制各軸的運(yùn)行，支持錯誤校驗(yàn)和重試。

關(guān)鍵詞：精密直線電機(jī);智能伺服系統(tǒng);驅(qū)動器;技術(shù)研發(fā)

0 ?引言

目前，國內(nèi)外的直線電機(jī)伺服驅(qū)動器都在向高效率化、直接驅(qū)動、高速化、高精化、高性能化已經(jīng)一體化合集成化方向發(fā)展。

工業(yè)智能設(shè)備經(jīng)常采用多軸控制系統(tǒng)，為使設(shè)備能達(dá)到較高的定位精度，除了要求控制器有很準(zhǔn)確的路徑規(guī)劃算法及插補(bǔ)功能以外，智能伺服驅(qū)動器也必須保證在執(zhí)行控制位置指令時，保持所有控制運(yùn)動部件嚴(yán)格同步。同時，為了提高設(shè)備的運(yùn)行速度，需要智能伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的瞬時過載能力和較高的動態(tài)響應(yīng)特性。因此，研究控制精密直線電機(jī)的智能伺服驅(qū)動系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在要求實(shí)現(xiàn)高速、高精度位置控制的自動化設(shè)備，尤其是直線電機(jī)中具有重要意義。

精密直線電機(jī)ISD203智能伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用在要求實(shí)現(xiàn)高速、高精度位置控制的工業(yè)機(jī)器人及工業(yè)數(shù)控設(shè)備。集內(nèi)置PLC、驅(qū)動、運(yùn)動控制功能于一體，同時支持高級TML運(yùn)動語言;可單獨(dú)使用或多臺組網(wǎng)構(gòu)成多軸控制系統(tǒng)，并可共享各軸的I/O，并支持定位、電子齒輪、凸輪、同步控制。為實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)ISD203高速、高精度位置控制具有重要意義。

現(xiàn)代直線電機(jī)智能伺服驅(qū)動器技術(shù)的發(fā)展趨勢是：①驅(qū)動和控制一體化。把驅(qū)動器和控制器一起集成制造，功能互通，共享內(nèi)存信息傳輸各種控制、狀態(tài)信息，傳輸速率高達(dá)200M/S;②微型化。微小型驅(qū)動技術(shù)是新一代智能驅(qū)動器控制的新突破，損耗更少，體積更小，質(zhì)量小，性能更強(qiáng)，成本更低;③標(biāo)準(zhǔn)化。所有部件全部使用標(biāo)準(zhǔn)原件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)組成標(biāo)準(zhǔn)化，裝配和維護(hù)將更加簡單快捷和安全; ④控制數(shù)字化。應(yīng)用驅(qū)動器全數(shù)字控制是目前直線電機(jī)驅(qū)動器技術(shù)的有效解決方法，將進(jìn)一步得到發(fā)展;⑤高速化和高精化。相比旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)，速度和精度都得到了極大提高，這是保證驅(qū)動技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的推動力。⑥低噪音。相比其他技術(shù)，噪音更低。

1 ?建立永磁同步電機(jī)（PMSM）

永磁同步電機(jī)的原理為：在電動機(jī)的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后會在電動機(jī)的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場，磁場空間中產(chǎn)生磁場推力，使定子和永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運(yùn)動，產(chǎn)生推力，帶動電機(jī)工作。具體地說，因?yàn)槿嗾译娏鲗ΨQ，通電后產(chǎn)生磁場，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，利用磁性的異性相吸原理，吸引其中的永磁體產(chǎn)生一個恒定的磁場進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這是一個以通電頻率為角速度的磁場，其轉(zhuǎn)矩與主磁通量和轉(zhuǎn)矩電流分量成正比，提供了永磁同步電機(jī)的輸出參數(shù)，從而帶動直線電機(jī)運(yùn)行。如圖1所示。

基本工作結(jié)構(gòu)主要是由兩大部分組成：定子結(jié)構(gòu)（電磁繞組）和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（永磁體），其他還有鏈路等。

定子結(jié)構(gòu)十分類似于普通感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由電磁繞組構(gòu)成，高耐熱的漆包線組成了電磁繞組線圈的導(dǎo)線，每個繞組有兩個直角邊，分別嵌入齒槽中，起很好的固定作用，所以稱之為定子，它是電磁通量進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要組成部分。電磁繞組分為單層繞組和雙層繞組，其中，雙層繞組的每相每極多于兩個繞組邊時，此電磁繞組成為分布式繞組，該繞組對方波有很好的效果，并產(chǎn)生特有的端部效應(yīng)，通電的三相繞組對定子永磁體產(chǎn)生磁性作用，當(dāng)嘗試的磁場力的方向相同時，合力達(dá)到最大，對直線電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大推力，并且低振動和低噪音。因此，三相繞組的排列有一定順序，不能隨便安裝，磁場感應(yīng)力會有抵消作用，不允許出現(xiàn)這個情況。這時候，可能會產(chǎn)生某一齒槽出現(xiàn)空槽現(xiàn)象，這會使電磁繞組的三相電流參數(shù)不對稱，無法形成最大合力，也達(dá)不到最大推力，不符合設(shè)計要求，在這種情況下，可以采取電磁繞組重組方式，保持原繞組各相不變化，只改變空槽的繞組，這樣可以使電磁電流方向保持不變，同原來的一致，保留了原有電磁繞組的特性。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和轉(zhuǎn)軸組成。永磁體使用釹鐵硼稀土，我國有豐富的稀土資源，性能價格比較好，應(yīng)用廣泛。永磁體與定子電磁繞組和鐵芯進(jìn)行相互耦合作用，產(chǎn)生反電動勢，這樣，電機(jī)啟動以后，電流就會減小，可以較好地起到保護(hù)設(shè)備的作用，延長壽命，并大大地降低了成本。同時，將磁性鋼板交替安裝在鐵板上，可以減少磁通量泄露，提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，降低磁滯效應(yīng)損失，增大直線電機(jī)的推力。

直線電機(jī)的裝配。如圖2所示，首先，進(jìn)行電機(jī)的平面度和直線度檢驗(yàn)，其次，安裝定子結(jié)構(gòu)，即電磁繞組，再次，固定轉(zhuǎn)子，最后調(diào)整各部件之間的間隙，其中最主要的是磁極板間的氣隙。其中，要注意定位臺階的位置。

2 ?精密直線電機(jī)ISD203的智能伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由四個運(yùn)動軸組成，其中包括三個直線軸和一個旋轉(zhuǎn)軸，各軸通過主從式的差分總線連接和組裝。直線電機(jī)智能伺服系統(tǒng)安裝在慣性量最大的直線軸上。直線電機(jī)選擇合理，連續(xù)推力較大，可以滿足生產(chǎn)需求，動態(tài)性能更好，并沒有齒槽效應(yīng)，降低了發(fā)熱量。

伺服系統(tǒng)驅(qū)動器可以接受外部位置脈沖指令輸入和各種信號編碼器反饋，內(nèi)部有位置控制、速度控制、電流控制三種閉環(huán)控制方式。其控制原理如圖3。

伺服系統(tǒng)驅(qū)動器主要有三種：方波信號傳輸編碼器、正弦信號傳輸編碼器和針對絕對坐標(biāo)位置編碼器，并采用方波信號傳輸，參數(shù)可滿足要求，這三種驅(qū)動方式相輔相成，互相綜合作用，形成一個整體，缺一不可。其基本參數(shù)為：輸入電壓范圍-12～12v，最大電流80Ma，最大頻率3.5MHz，速度周期500ms，位置刷新周期250ms，推力大小根據(jù)需要調(diào)整。

電機(jī)和驅(qū)動器組成一個閉環(huán)智能伺服控制系統(tǒng)，用戶可以通過調(diào)整驅(qū)動器參數(shù)改變伺服系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)。驅(qū)動器內(nèi)部集成單軸定位功能，可以自動運(yùn)行;坐標(biāo)編輯使用相對坐標(biāo);傳感器可以自動回到原點(diǎn)。速度復(fù)位可進(jìn)行調(diào)節(jié)、500步/轉(zhuǎn)，最大行程600mm，軟件自帶限位保護(hù)。

驅(qū)動器調(diào)試提供了三種方式，可由自身產(chǎn)生各種指令控制。電流控制信息由驅(qū)動器的電機(jī)數(shù)據(jù)庫參數(shù)決定。選擇伺服系統(tǒng)驅(qū)動器的速度指令控制、脈沖位置指令控制、位置指令控制和力矩指令控制。速度控制選用 KP和 KV 控制器，當(dāng)選用脈沖位置控制指令控制，選用 VP和速度、加速度反饋的控制方式。

3 ?智能伺服系統(tǒng)驅(qū)動器工作原理

驅(qū)動器工作原理如圖4所示。在接收到高電壓源和控制信號反饋信息時，V1和V2接通，電流持續(xù)上升，其他條件不發(fā)生變化，這時候，V1關(guān)閉，導(dǎo)致高壓電源斷開，低壓電源對電磁繞組（定子）提供電源，工作電路導(dǎo)通，作業(yè)繼續(xù)。如果電流下降，降低到某一個值時，反饋裝置作出響應(yīng)，使V1接通，這樣電流上升，這樣可以保證驅(qū)動器電路電流始終保持在某一個確定值，這種工作原理，由于較好地控制了電流值的大小，并保持了高低壓驅(qū)動的優(yōu)勢，可以很好地發(fā)揮直線電機(jī)的綜合性能，提高工作效率。

4 ?關(guān)于精密直線電機(jī)ISD203智能伺服系統(tǒng)驅(qū)動器的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題研究及其解決辦法

隨著控制技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制、材料科學(xué)等學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，帶動精密直線電機(jī)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，同時，引用范圍也越來越大，而由于智能伺服系統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)比傳統(tǒng)的驅(qū)動技術(shù)具有更先進(jìn)的優(yōu)勢，從而發(fā)展越來越快。但同時直線電機(jī)本身也面臨一些問題需要得到很好解決，在使用精密直線電機(jī)同時，也要克服電機(jī)本身的一些缺陷或不足，做好各項(xiàng)綜合比較、充分利用并發(fā)揮直線電機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)異性能，并注意解決好以下五個方面的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)問題。

①數(shù)學(xué)建模進(jìn)行分析解決問題的方法?？梢越⒅本€電機(jī)的各種數(shù)學(xué)模型，模擬和測量實(shí)際的作業(yè)過程，發(fā)現(xiàn)問題，并改正完善，促進(jìn)電機(jī)更快的發(fā)展。比如：建立直線電機(jī)模型，然后將端部效應(yīng)加入進(jìn)去，進(jìn)行模擬和測試，以達(dá)到最好的效果，并促進(jìn)直線電機(jī)的發(fā)展。

②高精度和低振動。雖然相比傳統(tǒng)的電機(jī)，能達(dá)到更高的精度和更低的振動，但是，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，和工藝水平的不斷提高，對高精度和低振動有更高的要求，原有的精度和振動已經(jīng)達(dá)不到現(xiàn)在的要求，需要進(jìn)一步提高，以適應(yīng)社會不斷進(jìn)步的需求。

③完善和改進(jìn)智能伺服控制系統(tǒng)。對于直線電機(jī)，負(fù)載直接作用于伺服控制系統(tǒng)，原因就是伺服控制系統(tǒng)是直接驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載，這樣，受到的切削力或其他的外界負(fù)載就直接作用于電機(jī)，并直接影響電機(jī)的運(yùn)行，因此，很有必要增強(qiáng)直線電機(jī)的抗干擾性，加快電機(jī)的響應(yīng)時間，提高電機(jī)的精密度。所以，要整體提高直線電機(jī)的伺服系統(tǒng)的總體性能，具體點(diǎn)就是，采用高速計算機(jī)控制，盡可能多地進(jìn)行系統(tǒng)集成，全數(shù)字驅(qū)動，控制數(shù)字化，組成微型化和標(biāo)準(zhǔn)化，真正實(shí)現(xiàn)控制和驅(qū)動的機(jī)電一體化。

④驅(qū)動和控制一體化。雖然驅(qū)動器和控制器是集成在一起，但是，它們很多時候是分開執(zhí)行指令，可以將它們的功能更多地集成在一起，提高指令的執(zhí)行效率，縮短響應(yīng)的時間，提高整個直線電機(jī)的工作效率。

⑤精密直線電機(jī)的電壓。精密直線電機(jī)的電壓，尤其是電源電壓，直接影響直線電機(jī)的推力大小，因此必須采取有效措施，保證電機(jī)電源電壓和整個電路電壓的穩(wěn)定，以保證精密直線電機(jī)的正常高效運(yùn)行。

5 ?結(jié)束語

精密直線電機(jī)ISD203智能伺服驅(qū)動器系統(tǒng)，集成永磁同步電機(jī)（PMSM），內(nèi)置PLC、驅(qū)動、運(yùn)動控制功能于一體，同時支持高級TML運(yùn)動語言;可單獨(dú)使用或多臺組網(wǎng)構(gòu)成多軸控制系統(tǒng)，并可共享各軸的I/O，并支持定位、電子齒輪、凸輪、同步控制。驅(qū)動器內(nèi)部集成了單軸定位功能，各軸通過主從式的差分總線連接，通過總線傳輸參數(shù)、控制各軸的運(yùn)行，支持錯誤校驗(yàn)和重試。從而使直線電機(jī)驅(qū)動器在各個方面的應(yīng)用越來越廣泛。

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