在近期舉辦的中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制/直驅(qū)技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上，高創(chuàng)傳動(dòng)科技開(kāi)發(fā)（深圳）有限公司技術(shù)經(jīng)理宋寧一發(fā)表題為《直線伺服驅(qū)動(dòng)器前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)》的演講，深入介紹直驅(qū)技術(shù)特點(diǎn)及控制難點(diǎn)，分享了高創(chuàng)直驅(qū)產(chǎn)品的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)前直驅(qū)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在高精度、高速度要求的場(chǎng)景，對(duì)直線電機(jī)的需求都非常高，市場(chǎng)每年都會(huì)有很大的增長(zhǎng)，同時(shí)直驅(qū)電機(jī)的制造成本也在持續(xù)下降。

直驅(qū)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

　　直驅(qū)電機(jī)跟傳統(tǒng)絲桿模組相比有以下一些應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：

• 　　運(yùn)動(dòng)速度快;

• 　　摩擦力較小;

• 　　系統(tǒng)剛性強(qiáng)，機(jī)器的負(fù)載可以直接連接在電機(jī)動(dòng)子或轉(zhuǎn)子上;

• 　　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)的伺服為了提高它的精度通常需要加第二編碼器，對(duì)于直驅(qū)電機(jī)來(lái)講，一個(gè)編碼器即可實(shí)現(xiàn)它的高精度，避免提高精度而使用第二編碼器，同時(shí)它的運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng);

• 　   精度高，壽命長(zhǎng)。

但另一方面，直驅(qū)電機(jī)也存在一定的“短板”：

• 　　成本較高，需要直線導(dǎo)軌;

• 　　摩擦力小，需要更好的算法來(lái)計(jì)算控制精度;

• 　　需要更高增益及抑制振動(dòng)算法支持;

• 　　整定時(shí)間要求高;

• 　　需要高分辨率及高精度編碼器。

總體來(lái)看，目前典型的直驅(qū)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景包括：半導(dǎo)體設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、AOI或者視覺(jué)檢測(cè)等領(lǐng)域需要的高精度控制應(yīng)用;以及焊線機(jī)、平板顯示、3C電子、CNC機(jī)床、光伏、高速搬運(yùn)等應(yīng)用領(lǐng)域。

直驅(qū)電機(jī)控制要求及難度

直驅(qū)電機(jī)對(duì)于控制系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)提出了較高的要求，大致上包括以下幾點(diǎn)：

• 　由于高速要求，整定時(shí)間短(例如焊線機(jī)的應(yīng)用上)，所以控制上一定要在最短的時(shí)間內(nèi)讓電機(jī)整定下來(lái);

• 　在一些激光加工或者檢測(cè)領(lǐng)域，要求運(yùn)行過(guò)程特別平穩(wěn)，不管是速度的波動(dòng)還是運(yùn)行的位置誤差都要求較高;

• 　針對(duì)一些特殊的場(chǎng)景，例如激光或者視覺(jué)檢測(cè)，則需要具備位置觸發(fā)輸出功能，隨著結(jié)構(gòu)越做越大，例如龍門架構(gòu)，需要兩個(gè)軸帶動(dòng)同一個(gè)平臺(tái)，因此在驅(qū)動(dòng)器控制上要實(shí)現(xiàn)龍門傳動(dòng)的功能;

• 　針對(duì)以上要求，高創(chuàng)CDHD2開(kāi)發(fā)出了一些對(duì)應(yīng)算法來(lái)適應(yīng)這些應(yīng)用場(chǎng)景需求，包括非線性HD控制和基于頻域線性響應(yīng)的HDM控制。

HD控制方式

　　傳統(tǒng)的控制方案一般是串行結(jié)構(gòu)，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)串行結(jié)構(gòu)，這些控制方式有一些固有的誤差難以避免，增加前饋的時(shí)候會(huì)增加它的超調(diào)和整定時(shí)間。為此，高創(chuàng)把速度環(huán)和位置環(huán)合二為一，形成了非線性的控制。速度環(huán)與位置環(huán)的合二為一通過(guò)增益矩陣的方式來(lái)自動(dòng)適應(yīng)誤差，根據(jù)系統(tǒng)的誤差和速度來(lái)調(diào)整增益，實(shí)現(xiàn)最小的阻尼，最小的跟蹤誤差，達(dá)到最好的整定效果。

　　直驅(qū)電機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，不可避免會(huì)造成抖動(dòng)的現(xiàn)象，閉環(huán)抑制震動(dòng)，發(fā)生初期就要響應(yīng)抑制它的震動(dòng)，還有主動(dòng)阻尼來(lái)盡量減少它的震動(dòng)發(fā)生。

HDM控制方式

　　針對(duì)一些復(fù)雜的控制場(chǎng)景，比如CNC、激光等領(lǐng)域，通常對(duì)于過(guò)程中的要求比較高，機(jī)臺(tái)的共振點(diǎn)和機(jī)械特性都可能不太一致，基于這樣的情況開(kāi)發(fā)了HDM的控制方式，該控制方式基于多項(xiàng)式的線性控制方式和頻率響應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試。

　　第一步，對(duì)機(jī)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻：給機(jī)臺(tái)系統(tǒng)注入掃頻電流白噪聲，設(shè)置它的掃頻范圍。通過(guò)頻率響應(yīng)就可以得到整個(gè)機(jī)臺(tái)或者機(jī)器的帶寬，同時(shí)得到它開(kāi)環(huán)的波特圖，上面是它的幅值，下面是它的相位，得到整個(gè)控制上的頻率響應(yīng)。圖1為掃頻后的波特圖。

     第二步，建模（FIT Model）：根據(jù)這個(gè)頻率響應(yīng)可以看到系統(tǒng)不同的共振點(diǎn)，就需要軟件來(lái)擬合，把實(shí)際響應(yīng)用算法曲線來(lái)進(jìn)行擬合，得到系統(tǒng)機(jī)械上的一個(gè)模型。然后設(shè)置共振點(diǎn)，根據(jù)共振點(diǎn)設(shè)置零極點(diǎn)數(shù)目，可以得到擬合后的曲線。擬合后的曲線如圖2所示。

   第三步，自動(dòng)生成控制參數(shù)：根據(jù)擬合后的曲線，一鍵生成對(duì)應(yīng)控制參數(shù)，包括自動(dòng)添加相應(yīng)濾波器，然后根據(jù)閉環(huán)特性及實(shí)際效果進(jìn)行微調(diào)，從而得到最好或者最優(yōu)化的控制。調(diào)試時(shí)應(yīng)盡量避免不穩(wěn)定的區(qū)域，既要提高穩(wěn)定性，又需提高帶寬。

龍門控制系統(tǒng)

隨著控制的發(fā)展，負(fù)載量增大，在很多場(chǎng)景涉及到越來(lái)越多龍門的控制方式，針對(duì)這樣的情況，高創(chuàng)提出了龍門控制的方式，采用雙軸交叉耦合的方式，一個(gè)軸作為主軸，控制兩個(gè)電機(jī)的前進(jìn)和后退，另外一個(gè)軸作為從軸，同時(shí)監(jiān)控兩個(gè)軸的偏差，根據(jù)偏差實(shí)時(shí)調(diào)整，輸出給兩個(gè)軸不同的電流，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸的同步，兩個(gè)軸的通信是采用10MB/S的通信速率。

高創(chuàng)龍門系統(tǒng)的功能特點(diǎn)包括：

1. 兩軸同步；

2. 減少30%電流輸出；

3. 支持柔性和剛性龍門。

誤差補(bǔ)償功能

在直線電機(jī)行業(yè)，定位精度一般易于達(dá)到，提高其絕對(duì)精度要有補(bǔ)償，高創(chuàng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)置誤差補(bǔ)償表，支持直線和旋轉(zhuǎn)電機(jī)補(bǔ)償，可補(bǔ)償點(diǎn)位達(dá)1000多個(gè)，同時(shí)可采用激光提供補(bǔ)償值，能極大地提高直線電機(jī)定位精度，滿足客戶高精度場(chǎng)景需求。

 目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于這一技術(shù)領(lǐng)域的探討還沒(méi)有停止，高創(chuàng)也一直在探索未來(lái)的發(fā)展變化。

 
高創(chuàng)產(chǎn)品應(yīng)用

客戶的市場(chǎng)變化對(duì)工控企業(yè)的需求越來(lái)越高，要求產(chǎn)品易用、精度高、穩(wěn)定性好。同時(shí)客戶和市場(chǎng)的時(shí)刻變化導(dǎo)致產(chǎn)品種類更新也越來(lái)越快，我們的產(chǎn)品需要不斷適應(yīng)客戶的需求，技術(shù)也要不斷進(jìn)行迭代升級(jí)。

在機(jī)器人領(lǐng)域直驅(qū)電機(jī)已有廣泛應(yīng)用，這對(duì)我們提出了更高的要求，例如機(jī)器人的抖動(dòng)是無(wú)法一直抑制的，對(duì)于機(jī)器人行業(yè)，我們一直在思考如何優(yōu)化控制方式。

 環(huán)線是另一個(gè)比較好的方式，這個(gè)控制方式與之前的模組電機(jī)不太一樣，之前運(yùn)動(dòng)的部分是線圈，磁鐵是定子，上面是磁鐵在運(yùn)動(dòng)，下面的線圈是固定的。針對(duì)這樣的情況需要驅(qū)動(dòng)器、控制器和編碼器整合到一起，實(shí)時(shí)監(jiān)控上面運(yùn)動(dòng)部分的位置來(lái)達(dá)到一個(gè)很好的控制，上面定子在走的時(shí)候，下面要分別控制它不同線圈的顯示模式。所以未來(lái)的趨勢(shì)是，更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器和控制器將會(huì)越來(lái)越融合，對(duì)于這種自動(dòng)調(diào)試的要求越來(lái)越高，可以幫助客戶更好地使用我們的設(shè)備。

 如果使用驅(qū)控一體的方式，穩(wěn)定性更好，會(huì)避免一些接線和干擾造成的不穩(wěn)定因素。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器未來(lái)會(huì)有豐富的第三方接口，包括跟視覺(jué)及其他第三方的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行通訊。未來(lái)這種系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一體類似子系統(tǒng)的嵌入式，外設(shè)就可以完成運(yùn)動(dòng)控制的部分。

此外，隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，所有的設(shè)備要進(jìn)入云端，未來(lái)的驅(qū)動(dòng)器和控制器也會(huì)推出OPC-UA的云端標(biāo)準(zhǔn)，工控黃金十年，需要行業(yè)共同創(chuàng)造。

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