銑xi床chuang沿yan預yu定ding路lu徑jing移yi動dong高gao速su旋xuan轉zhuan的de切qie割ge工gong具ju，對dui固gu體ti金jin屬shu塊kuai進jin行xing切qie削xue，從cong而er生sheng產chan金jin屬shu製zhi品pin部bu件jian。精jing密mi加jia工gong是shi一yi個ge多duo步bu驟zhou過guo程cheng，先xian是shi粗cu略lve切qie削xue
，然ran後hou經jing過guo多duo道dao精jing細xi切qie削xue才cai能neng達da到dao要yao求qiu。多duo個ge電dian機ji驅qu動dong進jin給gei主zhu軸zhou和he多duo個ge絲si杠gang來lai定ding位wei工gong具ju頭tou。電dian機ji位wei置zhi與yu速su度du伺si服fu驅qu動dong器qi的de功gong率lv和he剛gang度du決jue定ding了le支zhi持chi特te定ding表biao麵mian處chu理li精jing度du水shui平ping的de最zui大da切qie削xue速su率lv。因yin此ci
，高gao性xing能neng電dian機ji驅qu動dong器qi可ke提ti高gao切qie削xue速su率lv或huo減jian少shao切qie削xue次ci數shu
，從cong而er直zhi接jie影ying響xiang到dao銑xi削xue過guo程cheng效xiao率lv。每mei次ci操cao作zuo都dou選xuan擇ze最zui佳jia運yun動dong方fang案an，以yi及ji盡jin量liang縮suo短duan刀dao具ju更geng換huan時shi間jian，同tong樣yang可ke以yi提ti高gao生sheng產chan率lv和he能neng效xiao。生sheng產chan質zhi量liang取qu決jue於yu絲si杠gang的de精jing度du和he電dian機ji驅qu動dong軸zhou位wei置zhi與yu速su度du控kong製zhi。最zui新xin銑xi床chuang有you五wu個ge或huo更geng多duo的de控kong製zhi軸zhou
，支zhi持chi以yi最zui少shao的de工gong件jian設she置zhi操cao作zuo次ci數shu加jia工gong出chu複fu雜za的de形xing狀zhuang。大da批pi量liang生sheng產chan線xian所suo用yong的de專zhuan用yong加jia工gong中zhong心xin甚shen至zhi包bao括kuo更geng多duo的de伺si服fu驅qu動dong器qi
，支zhi持chi多duo個ge金jin屬shu加jia工gong並bing行xing操cao作zuo和he類lei機ji器qi人ren功gong能neng
，使shi加jia工gong過guo程cheng實shi現xian完wan全quan自zi動dong化hua。機ji器qi設she計ji人ren員yuan麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan是shi如ru何he讓rang多duo個ge伺si服fu驅qu動dong軸zhou的de操cao作zuo和he運yun動dong方fang案an同tong步bu，從cong而er在zai維wei持chi產chan品pin質zhi量liang不bu變bian的de同tong時shi
，使shi機ji器qi吞tun吐tu效xiao率lv最zui大da化hua。

 

精密運動控製

 

控製現代工廠所用自動化機器的各種元件如圖1所示。中央數字控製器(CNC)或可編程邏輯控製器(PLC)管理機器操作
，並且為機器中每個伺服電機軸產生運動軌跡規劃。每個伺服驅動器包括多個控製環路來管理機械係統動態特性、電磁扭矩產生和電路動態特性。各控製元件的性能對機器吞吐效率和表麵處理質量至關重要。計算機輔助製造(CAM)工具根據產品圖紙、材料特性、機器和刀具能力
，產生成品所需的機加工操作組合運動方案。然後
，由自動化機器執行這些方案來製造產品。

 

圖1. 自動化機器控製係統

 

完整的機器控製功能包括多個級聯控製環路。考慮絲杠(用於將旋轉轉變為線性運動)提供的傳動裝置，CNC將機器空間(x、y和z)運動配置轉換為每個電機軸的(θ或ω)yundongpeizhi。meizhongyundongpeizhiyoushijianzhongdeweizhihuosudujihelaidingyi。zhoujiandeshixutongbufeichangzhongyao
，yinweishixuwuchaduiyigezhoudeyingxiangyuweizhihesuduwuchaxiangtong。

 

伺服驅動速度環路的功能是計算跟隨目標速度曲線所需的電機扭矩指令(T*)。成cheng品pin的de精jing度du和he表biao麵mian質zhi量liang取qu決jue於yu機ji器qi能neng否fou精jing確que地di引yin導dao切qie削xue工gong具ju沿yan目mu標biao路lu徑jing移yi動dong。機ji加jia工gong操cao作zuo的de挑tiao戰zhan在zai於yu金jin屬shu切qie削xue過guo程cheng是shi非fei連lian續xu的de
，因yin為wei材cai料liao以yi碎sui片pian形xing式shi脫tuo落luo，因yin此ci，伺si服fu驅qu動dong負fu載zai也ye會hui迅xun速su變bian化hua。速su度du環huan路lu必bi須xu能neng夠gou在zai切qie削xue操cao作zuo中zhong維wei持chi恒heng定ding的de速su度du而er不bu受shou負fu載zai變bian化hua的de影ying響xiang，並bing且qie在zai刀dao具ju更geng換huan操cao作zuo中zhong能neng夠gou迅xun速su響xiang應ying速su度du指zhi令ling。低di速su時shi的de控kong製zhi質zhi量liang高gao度du取qu決jue於yu位wei置zhi反fan饋kui的de分fen辨bian率lv，因yin為wei需xu要yao高gao采cai樣yang速su率lv微wei分fen器qi來lai產chan生sheng高gao動dong態tai速su度du信xin號hao。

 

機床驅動所用的精密編碼器采用快速模數轉換器在編碼器計數之間插值，以提供更高的分辨率。例如，一個4096線編碼器采用簡單的數字接口時，可提供14位/轉的位置分辨率

，而采用插值方法時，其分辨率至少可擴展至22位/轉。位置分辨率提高到22位之後
，在4位速度分辨率和1 RPM的條件下，采樣速率可達4 kHz，而之前在4位速度分辨率和60 RPM的條件下
，采樣速率隻有1 kHz。

 

在永磁交流伺服電機中，為了高效率、高動態地產生扭矩，要求正弦定子電流與轉子磁體角位置對齊，如圖2所示。電流和磁場對齊控製確保電機扭矩滿足速度環路的動態要求。PWM和he逆ni變bian器qi反fan饋kui隔ge離li模mo塊kuai包bao括kuo在zai電dian路lu控kong製zhi功gong能neng中zhong。三san相xiang功gong率lv逆ni變bian器qi將jiang所suo需xu的de電dian壓ya施shi加jia於yu電dian機ji繞rao組zu以yi驅qu動dong目mu標biao繞rao組zu電dian流liu。電dian流liu反fan饋kui功gong能neng將jiang繞rao組zu電dian流liu測ce量liang與yu高gao壓ya逆ni變bian器qi隔ge離li，並bing向xiang磁ci場chang對dui齊qi模mo塊kuai提ti供gong反fan饋kui信xin號hao。電dian流liu反fan饋kui的de精jing度du決jue定ding扭niu矩ju產chan生sheng的de質zhi量liang，因yin為wei反fan饋kui中zhong的de增zeng益yi、失(shi)調(tiao)或(huo)非(fei)線(xian)性(xing)誤(wu)差(cha)會(hui)產(chan)生(sheng)紋(wen)波(bo)扭(niu)矩(ju)
，進(jin)而(er)表(biao)現(xian)為(wei)對(dui)速(su)度(du)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)負(fu)載(zai)幹(gan)擾(rao)。在(zai)某(mou)些(xie)精(jing)密(mi)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)中(zhong)，有(you)一(yi)個(ge)附(fu)加(jia)環(huan)路(lu)也(ye)會(hui)補(bu)償(chang)定(ding)子(zi)繞(rao)組(zu)線(xian)槽(cao)與(yu)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)鐵(tie)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)所(suo)引(yin)起(qi)的(de)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)內(nei)部(bu)扭(niu)矩(ju)紋(wen)波(bo)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)都(dou)能(neng)改(gai)善(shan)電(dian)機(ji)的(de)低(di)速(su)性(xing)能(neng)，最(zui)終(zhong)增(zeng)強(qiang)成(cheng)品(pin)的(de)精(jing)度(du)和(he)表(biao)麵(mian)質(zhi)量(liang)。

 

驅動架構

 

如上所述，驅動係統性能由多個方麵決定
，例如控製架構
、電機設計、功率電路、反饋傳感器和控製處理器。麵對日益提高的驅動性能
、靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)成(cheng)本(ben)要(yao)求(qiu)
，以(yi)及(ji)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)元(yuan)件(jian)的(de)進(jin)步(bu)，控(kong)製(zhi)架(jia)構(gou)在(zai)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)。基(ji)於(yu)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)的(de)傳(chuan)統(tong)伺(si)服(fu)控(kong)製(zhi)已(yi)被(bei)使(shi)用(yong)嵌(qian)入(ru)式(shi)處(chu)理(li)器(qi)的(de)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)所(suo)取(qu)代(dai)。另(ling)外(wai)，CNC的速度指令信號原先是精密模擬信號，現已變為數據包通過實時(RT)工業網絡發送。因此，除了控製和功率電路以外，現代伺服驅動係統還包括通信接口。

 

qudongxitongyongyuancunzaidedianlushejitiaozhanshiruhejianggaoyagonglvdianluyuyonghulianjiedekongzhihetongxindianluanquandigeli。youyigechangjianjiagoukejiangdinibianqixinhaogelikunnan，jigonglvdianluyukongzhichuliqijiedizhilian，kongzhichuliqiyutongxinjiekouzhijianshiyonggelizha。sifuqudongyingyonggengchangjiandejiagouxuanzeshijianganquangelizhafangzaigonglvjiyukongzhichuliqizhijian


，erkongzhichuliqiyutongxinjiekouzhilian。haiyouyizhongbunamechangjiandejiagou，jibaanquangelizhafensanzaigonglv、控製和通信之間。這會降低每個隔離柵的隔離標準要求，而且可以縮小係統的整體尺寸。

 

圖3顯示了一個隔離控製架構實例，其中逆變器柵極驅動
、電壓反饋和電機電流反饋信號與控製處理器相隔離，但直連位置反饋傳感器
、yonghuhetongxinjiekou。zhezhongjiagoubujinweikongzhidianlutigonganquangeli，hainengyizhigaoyakaiguandianyuannibianqisuochanshengdedianluzaosheng。dianjidianliufankuiyouraozufenliuqihegelishiΣ-Δ調製器產生，這些調製器提供增益匹配、非常低的失調和非常高的線性度。完整的電流反饋信號路徑還包括控製處理器，其上的可編程sinc3濾波器還具有輸出短路檢測功能。模擬信號隔離器提供逆變器總線電壓隔離，此信號由嵌入式采樣ADC獲得。控製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，但帶插值電路的更高分辨率編碼器通常使用高速串行接口，以便按需發送位置和速度信息。

 

圖2 兩相永磁交流電機磁場對齊

 

圖3. 采用隔離式控製架構的雙軸電機控製係統，使用ADSP-CM408混合信號ASP和AD7403隔離式調製器

 

上例中的實時(RT)以太網接口由一個FPGA電路提供，以便能夠靈活地支持自動化市場上的多種工業網絡協議。FPGA管理來自網絡的實時數據包
，而控製處理器則具備帶寬和存儲器來支持協議棧的管理。許多此類協議支持抖動要求小於1 μsdetongbushishikongzhi，zhehuigeitongxinjiekoudailaifeichangzhongdechulifudan。ruqiansuoshu，zhezhongduisifuqudongtongbudeyaoqiu，yusifuqudongxingnengyiyangzhongyao。zaixiandaizidonghuajijiagongxitongzhong，weileshixiangaoshengchanlvhegaozhiliangchengpin
，yishangerzhebukehuoque。zidonghuaxitongdeyigexinxingqushishiliyongdangechuliqikongzhiliangdaosangesifudianjibingyilaidangeshishitongxinjiekou。xianzai，gaosuzhuanyongxinhaochuliqi(ASSP)便支持這種趨勢，例如ADPS-CM408，其包括一個高速浮點內核和多組電機控製與通信外設。

 

工(gong)業(ye)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)應(ying)用(yong)展(zhan)現(xian)出(chu)來(lai)的(de)多(duo)種(zhong)多(duo)樣(yang)的(de)架(jia)構(gou)，突(tu)出(chu)說(shuo)明(ming)了(le)許(xu)多(duo)重(zhong)要(yao)的(de)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)仍(reng)然(ran)存(cun)在(zai)這(zhe)一(yi)事(shi)實(shi)。隨(sui)著(zhe)可(ke)用(yong)控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)帶(dai)寬(kuan)的(de)增(zeng)加(jia)，自(zi)動(dong)化(hua)行(xing)業(ye)對(dui)更(geng)高(gao)精(jing)度(du)和(he)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)的(de)需(xu)求(qiu)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)。新(xin)材(cai)料(liao)
、傳感器、控製
、通信電路架構
，甚至更多的算法和軟件，很可能會繼續滿足自動化生產行業對更高生產率和更高質量的需求。

 

參考文獻

 

Will Dalrymple，“高速移動的機械。”Machinery.co.uk，第173卷，第4232期
，2015年1月。

Ferrari C.B.，“無與倫比的精度。”運動世界，第9卷

，第2期，2010年。

 

 

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