天津羅升企業有限公司 伺服產品處-趙琦

摘要：伺服驅動產品已經被廣泛應用在機床行業，數控加工行業。文章簡要介紹新一代伺服發展的方向，并詳細論述新一代伺服產品特點，提出了新一代伺服產品由于其功能特點必然會受到廣泛的應用。文章同時介紹天津羅升企業有限公司所推廣的智能伺服驅動器ELMO與精密直接驅動馬達橫河DD馬達。
關鍵字：伺服 羅升 橫河DD ELMO 智能
前言
近幾年，國內的工業自動化領域呈現出飛速發展的態勢，國外的先進技術迅速得到引入和普及化地推廣，其中作為驅動方面的重要代表產品的伺服已被廣大用戶所接受，在機器革新中起到了至關重要的作用。精準的驅動效果和智能化的運動控制通過伺服產品可以完美的實現機器的高效自動化，這兩方面也成為伺服發展的重要指標。
1 伺服系統介紹
伺服驅動技術是數控技術的重要組成部分。與數控裝置相配合，伺服系統的靜態和動態特性直接影響機床的位移速度，定位精度和加工精度。現在，直流伺服系統被交流數字伺服系統所取代；伺服電機的位置，速度及電流環都實現了數字化；并采用了新的控制理論，實現了不受機械負荷變動影響的高速響應系統（圖1）。

圖1 半閉環伺服控制

其主要新發展的技術有：
a．前饋控制技術。過去的伺服系統，是把檢測器信號與位置指令的差值乘以位置環增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著跟蹤滯后誤差，這使得在加工拐角及圓弧時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統上加上速度指令的控制方式，這樣使伺服系統的跟蹤滯后誤差大大減小。
b．機械靜止摩擦的非線性控制技術。對于一些具有較大靜止摩擦的數控機床，新型數字伺服系統具有補償機床驅動系統靜摩擦的非線性控制功能。
c．伺服系統的位置環和速度環（包括電流環）均采用軟件控制，如數字調解和矢量控制等。為適應不同類型的機床，不同精度和不同速度要術，預先調整加、減速性能。
d．采用高分辨的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內有微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高，增量位置檢測為10000 p/r（脈沖數/每轉）以上；絕對位置檢測為1000000 p/r以上。
e． 補償技術得到了發展和應用。現代數控系統都具有補償功能，可以對伺服系統進行多種補償，如絲杠螺距誤差補償，齒側間隙補償、軸向運動誤差補償、空間誤差補償和熱變形補償等。
2 新一代精準伺服產品
所謂精準，是指通過伺服驅動后所達到執行效果和目標設定的一致程度高，控制精密性好。要達成這樣的結果需要在執行裝置（電機）和驅動裝置（驅動器）上做到針對性地設計和制造。
日本橫河公司的DDM產品是具有這樣特性的非常典型的產品。
以下就3個方面對DD馬達進行介紹

圖2 DD馬達與伺服+減速機構架比較

首先，間隙誤差被消除。普通的傳動機構由于有減速機、聯軸器、齒輪、皮帶或絲杠等中間環節，間隙誤差是肯定無法避免的，尤其是對于長時間運轉所造成的機械磨損更是無法補償。DD馬達恰恰能很好的解決以上的問題，由于DD直接驅動的安裝方式（圖2），誤差被減為最少；而且它的伺服特性也可以隨時修正誤差，達到最理想的控制精度。
其次，高解析度和高定位精度。DYNASERV DD馬達選配的編碼器分辨率很高，DM1B-045的解析度為655,360PPR（DM-A系列 達到4096000PPR），電器控制精度高，已經超過普通伺服的控制精度1個數量級。由于制作相當精密，最終的精度控制一般可以達到2秒以內。
第三，高剛性，結構緊湊，使用效率高。DD 馬達的剛性很強，與負載結合后特性很硬，對于其驅動器要求更高。最新型的DYNASERV驅動器可以提供在線增益調試和共振濾波。馬達中空獨特設計不但減輕了自身慣量，也給客戶提供了更多的安裝形式。組合后的機械結構會更加緊湊，使用效率比較其他方式最高。
DD馬達的相對轉速比較低，額定轉速基本在60rpm~240rpm之間，但是這里的轉速是最終在轉臺上的轉速，相對比普通伺服+減速機的構架，在最終轉速上也是非常有優勢。在保持轉速的同時DD馬達保持了高的輸出扭力，由于采用永磁定子，因此在額定轉速內橫河DD馬達的扭力輸出曲線能夠保持平滑線性特性（圖3）。

圖3 DD馬達 轉速-扭矩輸出特性

橫河的GIII驅動器采用了I-PD控制方式，同樣帶寬的電流環，采用I-PD控制的GIII驅動器達到10Hz帶寬的位置環，與傳統的PID控制方式相比，減小了2.5倍的速度帶寬。這個特點決定了馬達的高剛性（位置帶寬）。

圖4 橫河GIII驅動器控制控制圖

在應用上，橫河DDM產品也是處于最先進地位，涉及領域有不干膠印刷機行業、LCD生產線、DVD/CVD生產設備、IC檢測設備、半導體制造設備、電子制造設備等產業機械的多個領域。
不干膠商標印刷機采用平壓式結構設計，主要完成工藝：送紙，印刷（二次套印），壓凸，燙金，裁切或收卷，計數。印刷速度為60-180次/分鐘。一次印刷測定值<0.03，二次套印測定值<0.035。（統計值）。DD馬達主要用于驅動輥的拖動，由控制原理圖5所視，1次印刷時單軸控制器

圖5 橫河DD馬達在不干膠印刷機的應用

SPC007控制DD馬達的行走長度和速度，印版上下印色；二次套印時，色標傳感器掃描Mark點，通知SPC007以追Mark模式控制DD運動，印版上下套色。行走距離和速度的設定可由上位指撥開關或人機界面來完成。比較舊型機種，節省了人力，尤其針對套色問題，完全是由控制器來完成。避免了機械誤差所造成經常作機械調整的工作，大大提高了工作效率。并且維護簡單，設備安全性好。
橫河DD馬達最大的行業應用是LCD、半導體關產業，圖6是在劃片機的應用，圖7是在IC分揀機的應用，同樣也用到了DD馬達的高精度，高剛性以及直接連接結構簡單，精度壽命長便于維護等特點，目前在國內有比較大的市場。

圖6 DD馬達在劃片機的應用

圖7 DD馬達在IC分揀機的應用

3 新一代智能伺服產品
智能化是指伺服產品可以做智能地驅動和控制。驅動器的驅動能力、控制效果、編程再開發性以及和上位控制系統信息通訊開放程度是衡量該驅動產品智能化的基本指標。從模擬式的可控硅驅動電路搭接的簡易模塊到現在全數字式的交流驅動器，短短十幾年的時間驅動器的革新從未停下腳步。下面通過對以色列elmo驅動器的介紹讓國內更多人熟悉世界上最先進的發展方向。
Elmo的驅動器在設計上強調“主動”的觀念，采用自主開發的芯片電路，使整個處理過程始終保持在平穩的過渡中。對比傳統的RC“被動”的轉換方式，啟動和關斷時電流沖擊和損失將大大降低，可以實現非常低的EMI。Elmo所生產的各種驅動器（用MOSFET 還是 IGBT的驅動器），均可實現快速有效的功率轉換，能耗損失不超過3%。在能量消耗方面Elmo公司提出了熱能管理的觀念，強調能耗低損失的同時，熱能也可以得到有效的釋放。其獨有的陶瓷貼裝的散熱技術，可保證100%的熱量導出。
為了快速，強有力的融合馬達和驅動器，Elmo公司推出了SimplIQ技術（圖8），具有多種反饋選擇編程能力，和標準的信號監測技術，優良的運動控制技術，簡化了控制過程，使機器在理想狀態下工作。Elmo驅動器擁有獨特的高級位置控制功能包括點到點運動、PT（位置時間表）、PVT（位置速度時間）、ECAM（電子凸輪）、位置跟隨脈沖輸入、雙回路、快速事件捕捉、快速輸出比較[OC]、事件捕捉式中斷、事件觸發式編程等。同時在在高級濾波和增益預定模式下Elmo驅動器也是獨特設計，包括非工作狀態下的速度和電流增益設定、速度位置的PIP控制、自動整流調制、自動電機相位排序等。通訊方式支持RS-232、CANopen DS-301,DS-402。
Elmo的控制器Maestro是一款基于網絡的多軸運動控制器和監控器（圖9），通過它配合Elmo自己的智能型驅動器使用，可以完成許多復雜的多軸運動控制。用Masetro和SimpleIQ驅動器所構建的運動控制網絡是基于分布式運動控制網絡構架。同時支持同步運動控制、順序運動控制、多軸運動記錄和分析工具、多軸應用開發系統。通過直接訪問以太網完成各軸的調整、監控和通常的分析。

圖8 Elmo智能驅動器控制原理

圖9 基于網絡的多軸運動控制器

在航天、醫療、包裝等產業機械，Elmo驅動器由于其自身特點，也得到了廣泛的應用。

圖10 Elmo驅動器在印刷機的應用

圖10中兩個Elmo驅動器輔助反饋相連結，從軸跟隨主軸，完成ECAM功能，不需要控制器，就可以完成需要的運動控制。

圖11為繞線機的應用，其中一臺跟隨編碼器，完成ECAM功能，另兩臺驅動器有一臺作為主，另一臺作為從，完成ECAM功能，因此在不需要控制器的情況下就可以完成繞線機的運動控制。
圖11 Elmo驅動器在繞線機的應用

圖11 Elmo驅動器在繞線機的應用

4 結論
精準的定位和智能控制今后還會向深入的方向發展，機電一體化的結構革命和驅動與控制的相互滲透在今后的幾年中將成為主導市場的新的趨勢。天津羅升企業有限公司也一直在致力于此發展方向，推進國內工業運動控制先進先進產品引入與推廣，逐漸國內也將會有部分產品（電機驅動方面）接近國際的先進水平，在世界領域占有一席之地。

參考文獻
[1] 葛鎖良，劉文慰。 基于模糊控制的交流伺服系統的設計.。東南大學學報（自然科學版） 2006年S1期。
[2] 李軍紅，陳潮填，唐忠平. 交流永磁同步電機伺服系統的變結構控制。 《微特電機》 2006年第一期 第32卷。
[3] 胡慶波，胡海兵，呂征宇. 基于交流永磁同步電機的全數字伺服控制系統，電源技術應用，2006年5月19日
[4] Feng L L, Moyne J R，Tilbury D M．Performance Evaluation of Control Networks： Ethernet，Control Net，and Device Net[J]．IEEE Control System Magazine，2006，21(1):66-83
[5] TM Jahnsm, WLSoong.　-A Review IEETrans[J]. on Industrial Electronics,2006,IE-43(2):321-330
[6

作者簡介:
趙琦, 男,1981-,漢族 天津羅升企業有限公司 伺服產品處
聯系方式:趙琦:天津市空港物流加工區 天津羅升企業有限公司 西十道3號 300308
聯系電話:13802081055 022-24891997-2092
Email:zhao.qi@acepillar.com.cn