自動化精密制造使當今許多高科技設備的進步和廣泛可用成為可能。現代時尚的手機依靠復雜的金屬加工工藝和精細的表面精加工能力來生產制造機械部件所需的模具。手機中微小但功能強大的電子元件的生產依賴于自動化IC晶圓加工和精密引線鍵合設備。大型設備也需要高精度和精加工質量。例如，現代噴氣發動機依靠精細平衡和精確匹配的渦輪葉片來實現高燃油效率和安靜運行。先進的電子控制和形狀復雜的精密發動機部件優化了燃燒過程，從而提高了汽車發動機的燃油效率。

銑床通過沿預定義路徑高速旋轉的切削刀具來切割材料，從而對金屬進行成型。精密加工是一個多步驟的過程，包括第一次粗切，然后進行多次更精細的切割，以達到所需的光潔度。多個電機驅動工具主軸和定位工具頭所需的多個絲杠。電機位置和速度伺服驅動器的功率和剛度（負載抑制）設置最大切削速率，以支持特定水平的表面光潔度精度。因此，電機驅動性能通過實現更高的切削率或更少的切削次數直接影響銑削工藝效率。通過為每次操作選擇最佳運動曲線并最大限度地減少更換切削刀具的時間，還可以最大限度地提高生產和能源效率。生產質量由絲杠的精度以及電機驅動軸位置和速度控制決定。最新的銑床具有五個或更多控制軸，以支持以最少的工件設置操作創建復雜的形狀。大批量生產線中使用的專用加工中心包括更多的伺服驅動器，以支持并行的多種金屬加工操作和機器人功能，以實現過程的完全自動化。機器設計人員面臨的挑戰是同步多個伺服驅動軸的操作和運動曲線，以最大限度地提高機器吞吐量，同時保持產品質量。

精密運動控制

控制現代工廠中使用的自動化機器的各種元件如圖1所示。中央數字控制器 （CNC） 或可編程邏輯控制器 （PLC） 管理機器操作，并為機器中的每個伺服電機軸生成運動曲線。每個伺服驅動器都包括多個控制回路，用于管理機械系統動力學、電磁扭矩產生和電路動力學。這些控制元件的性能對機器產量和表面處理質量至關重要。計算機輔助制造 （CAM） 工具根據產品圖紙、材料特性以及機床和工具功能，為創建成品所需的一組加工操作生成運動曲線。然后，自動化機器執行這些配置文件來制造產品。

圖1.自動化機器控制系統。

完整的機器控制功能包括多個級聯控制回路。CNC 將機床空間（x、y 和 z）運動曲線轉換為每個電機軸的（θ 或 ω）運動曲線，考慮將旋轉運動轉換為直線運動的絲杠提供的齒輪。每個運動曲線都由一組位置或速度在時間上定義。軸之間的時序同步至關重要，因為時序誤差與其中一個軸上的位置和速度誤差具有相同的影響。

伺服驅動速度環的功能是計算遵循目標速度曲線所需的電機轉矩命令（T*）。成品的精度和表面質量取決于機床沿目標路徑精確引導切削刀具的能力。加工操作的挑戰在于金屬切削過程是不連續的，因為材料在切屑中剝落，因此伺服驅動負載變化迅速。速度回路必須能夠在切削操作期間保持恒定的速度以應對負載變化，并在換刀操作期間快速響應速度命令。低速下的控制質量高度依賴于位置反饋的分辨率，因為需要高采樣率差分器來產生高動態速度信號。機床驅動中使用的精密編碼器使用快速模數轉換器在編碼器計數之間進行插值，以提供更高的分辨率。例如，4096 線編碼器使用簡單的數字接口提供 14 位/轉的位置分辨率，但使用插補可以擴展到至少 22 位/轉。位置分辨率增加到 22 位后，在 1 RPM 下支持 4 位速度分辨率，采樣率為 4 kHz，而采樣率僅為 1 kHz，在 60 RPM 下支持 4 位速度分辨率。

永磁交流伺服電機中的高效和高動態轉矩產生需要正弦定子電流與轉子磁體角位置對齊，如圖2所示。電流和磁場對準控制確保電機轉矩滿足速度回路的動態要求。PWM和逆變器反饋隔離模塊包含在電路控制功能中。三相電源逆變器向電機繞組施加所需的電壓以驅動目標繞組電流。電流反饋功能將繞組電流測量值與高壓逆變器隔離開來，并向現場對準模塊提供反饋信號。電流反饋的精度決定了轉矩產生的質量，因為反饋中的增益、偏移或非線性誤差會產生紋波轉矩，表現為速度控制器的負載擾動。在一些精密伺服驅動器中，附加回路還可以補償伺服電機中由定子繞組槽和轉子磁鐵之間的相互作用產生的內部轉矩脈動。所有這些都提高了電機的低速性能，最終提高了成品的精度和表面質量。

圖2.兩相永磁交流電機磁場對準。

驅動器架構

如前所述，驅動系統性能由多個元素定義，例如控制架構、電機設計、電源電路、反饋傳感器和控制處理器。隨著模擬和數字電子控制組件的進步，對驅動器性能、靈活性和成本的要求不斷提高，控制架構也在不斷發展。傳統的基于模擬電路的伺服控制已被使用嵌入式處理器的數字控制所取代。此外，來自CNC的速度命令信號，以前是精密模擬信號，現在通過實時（RT）工業網絡作為數據包傳輸。因此，現代伺服驅動系統包括一個通信接口以及控制和電源電路。

驅動系統中一直存在的電路設計挑戰是將高壓電源電路與用戶連接的控制和通信電路安全地隔離開來。簡化逆變器信號隔離挑戰的一種常見架構是電源電路和控制處理器接地之間的直接連接，以及控制處理器和通信接口之間的隔離柵。伺服驅動應用更常見的架構選擇是在功率級和控制處理器之間放置安全隔離柵，控制處理器直接連接到通信接口。不太常見的架構是在電源、控制和通信之間拆分安全隔離柵。這降低了每個屏障的隔離標準要求，并可能減小系統的整體尺寸。

使用隔離控制架構的示例（圖3所示）顯示了來自控制處理器的逆變器柵極驅動、電壓反饋和電機電流反饋信號的隔離，但直接連接到位置反饋傳感器和用戶以及通信接口。這種架構不僅為控制電路提供了安全隔離，而且還抑制了高壓開關電源逆變器產生的電路噪聲。電機電流反饋由繞組分流器和隔離式Σ-Δ調制器產生，提供增益匹配、極低失調和非常高的線性度。控制處理器上的可編程sinc3濾波器完成電流反饋信號路徑，還包括輸出短路檢測功能。模擬信號隔離器提供逆變器總線電壓隔離，該信號由嵌入式采樣ADC捕獲。控制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，但帶有插補電路的更高分辨率編碼器通常使用高速串行接口按需傳輸位置和速度信息。

圖3.采用隔離式控制架構的雙軸電機控制系統，采用ADSP-CM408混合信號ASP和隔離式調制器AD7403。

上一示例中的實時（RT）以太網接口由FPGA電路提供，以支持自動化市場中的多種工業網絡協議所需的靈活性。FPGA 管理來自網絡的實時數據包，而控制處理器具有支持堆棧管理的帶寬和內存。其中許多協議支持抖動規格低于1 μs的同步實時控制，這給通信接口帶來了非常沉重的處理負擔。如前所述，在現代自動化加工系統中提供高生產率和成品質量時，這種對伺服驅動器同步的要求與伺服驅動器性能同樣重要。自動化系統的一個新興趨勢是使用單個處理器控制兩個或三個伺服電機，并依賴于單個實時通信接口。ADSP-CM408等高速專用信號處理器（ASSP）支持了這一點，該處理器包括一個高速浮點內核和多組電機控制和通信外設。

工業電機驅動應用中的這種廣泛的架構突顯了這樣一個事實，即許多重要的電機驅動系統設計挑戰仍然存在。隨著控制處理和傳感器反饋信號帶寬的可用性，自動化行業對更高精度和動態響應的需求也在增加。新材料、傳感器、控制和通信電路架構，甚至更多的算法和軟件，可能會繼續滿足自動化生產對更高生產率和更好質量的需求。

審核編輯：郭婷