直接驅動技術 　　 數控系統(tǒng)對精度和快速性的要求 　　 現(xiàn)代數控系統(tǒng)（如數控機床和數控加工中心等等）向著高速、高精度方向發(fā)展，如為了縮短輔助操作時間、提高生產率，伺服軸的移動速度要求超過120 m/min；正在研制的超高精度鏡面銑削加工中心，要求位置分辨率為1納米；數控磨齒機的分度精度要求小于0.1角秒；慣導測試設備要求位置分辨率小于0.001角秒等等。這樣高的精度，常規(guī)的旋轉伺服電機+機械執(zhí)行機構（減速箱或滾珠絲桿付等）的傳動技術不可能達到。因為機械執(zhí)行機構和聯(lián)軸器的誤差、間隙和柔性，使伺服軸產生成帶狀分布的運動誤差和失動，而不是一個恒值，嚴重影響伺服軸的運動精度和系統(tǒng)快速性。 [ALIGN=CENTER] BM 系列 ■ 定子內徑0.4”（10mm） 到63”（1600mm） ■ 連續(xù)輸出轉矩45000Nm ■ 典型速度18krpm，最高可達80krpm BM 系列 ■ 定子內徑0.4”（10mm） 到63”（1600mm） ■ 連續(xù)輸出轉矩45000Nm ■ 典型速度18krpm，最高可達80krpm[/align] 在數控技術上提高伺服軸運動精度的常規(guī)做法有兩種：半閉環(huán)控制（位置反饋取至伺服電機軸端）加存儲式補償（間隙補償和螺距誤差 補償）和全閉環(huán)控制（位置反饋取至伺服機械執(zhí)行機構末端）。 　　 半閉環(huán)控制加存儲式補償只能補償帶狀分布誤差帶中的恒定部分，即絲杠螺距誤差和傳動間隙（故稱這種補償為螺距誤差補償和間隙補償），不能滿足高精度數控系統(tǒng)的精度要求。 　　 全閉環(huán)控制將伺服機構置于閉環(huán)控制之中，使由它們產生的誤差得到閉環(huán)補償。但要取得好的控制效果，要求高的位置環(huán)增益；而伺服機構、聯(lián)軸器的誤差、間隙和柔性，使得系統(tǒng)難以得到很高的位置環(huán)增益，補償效果仍不理想，不能滿足超高速、超高精度數控系統(tǒng)的精度和快速性要求。 　　 只有去掉機械傳輸等伺服執(zhí)行機構，伺服電機直接耦合或融入到負載上，即直接驅動技術，才能消除間隙、柔性和其它與機械傳送相關的問題，以滿足超高精度的數控系統(tǒng)對精度和快速性的要求。 　　 直接驅動技術 　　 直接驅動技術有旋轉運動和直線運動兩種基本方式。 　　 直接驅動旋轉軸（A、B、C軸）的伺服電機稱為直接驅動旋轉（DDR）電機，通常要求低轉速、大轉矩、轉角高分辨率。DDR電機與負載的連接有兩種方式（無需聯(lián)軸器）：一種是帶有中空軸的有框架DDR電機，負載軸直接插入電機的中空軸；另一種是無框架（分裝式）DDR電機，定子安裝在負載的框架上，轉子直接安裝在負載軸上，將電機轉子成為負載的一部分，可以為用戶提供十分緊湊的機械設計解決方案。 　　 Danaher Motion公司的有框架GOLDLINE®DDR電機，有低壓（115/230Vac）D系列和高壓（400/480Vac）DH系列兩種電壓規(guī)格，4種框架尺寸，3種鐵心長度，共12種型號。配置Cross-Roller精密軸承；中空軸，法蘭安裝，端面直徑從6.93”－14.25”；連續(xù)轉矩從5.3－339 Nm，峰值轉矩從16.9－1340 Nm；最高轉速可達800 rpm（DH06）；配備正余弦編碼器的位置分辨率可達21位（2,097,152 counts/r），重復精度±0.62角秒。 [align=center] CARTRIDGE DDR™ 電機 運輸時電機轉子通過夾具固定在定子框架內 [/align] Danaher Motion公司的無框架DDR電機，有F/FH系列、RBE系列、BM系列等，有多種定子內徑尺寸和轉子長度，F(xiàn)/FH系列適合低速、小直徑、大轉矩的應用，RBE適合高速、小直徑、小轉矩的用途，BM系列是專為高速、大直徑、大轉矩用途而設計的電機。BM系列速度通常18000rpm，特殊設計可達80000rpm，直徑最大可達1600mm，連續(xù)輸出轉矩高達45000Nm；RBE系列定子內徑尺寸從21.3 mm到239 mm；F/FH系列連續(xù)轉矩可達369 Nm，定子繞組特性與有框架GOLDLINE®DDR電機相同；用Danaher Motion公司的ServoStar S600驅動器驅動，位置分辨率可達28位（268,435,456 counts/r），位置重復精度可達±0.00048角秒，用戶可以選配高分辨率的正余弦編碼器以提高系統(tǒng)精度和帶寬。 　　 Danaher Motion公司創(chuàng)新設計的C/CH系列模塊化有框架CARTRIDGE DDR®電機，率先將無框架DDR技術的節(jié)省空間與性能優(yōu)勢和有框架電機的便捷安裝融為一體。電機內沒有軸承,利用負載軸的軸承支撐電機轉子，類似無框架DDR電機；定子框架通過法蘭和止口與負載連接，類似有框架DDR電機。轉子與負載通過一種新穎的壓縮連接結構與負載軸緊密地連接到一起，使電機轉子和負載成為整體，消除了電機與負載之間的間隙和柔性，連接剛性極大地提高，不再需要像傳統(tǒng)電機那樣要求慣量匹配，通常允許有250:1的慣量失配，最高可達800:1，使得系統(tǒng)可以獲得較高的增益而不會振蕩，系統(tǒng)帶寬極大地提高；因電機內沒有精密軸承而降低了成本，具有比有框架GOLDLINE®DDR電機具有更高的性價比；與F/FH系列無框架DDR電機相比，無需考慮電機結構設計，簡化了機械設計和安裝；CARTRIDGE®DDR 電機可以在任何方向上安裝，可以水平安裝或豎直安裝，但用戶需要選擇相應的轉子負載軸承；電機繞組設計有低壓C（115/230Vac）系列和高壓CH（400/480Vac）系列；連續(xù)轉矩從50到504 Nm, 峰值轉矩從120到1016 Nm；最大轉速可達1200 rpm。 [align=center] 有框架GOLDLINE® DDR 電機[/align] 直接驅動數控系統(tǒng)直線軸（X、Y、Z軸）的伺服電機稱為直接驅動直線（DDL）電機，直線電機主要由以下幾部分組成：線圈總成（通常是動子），永磁體總成（通常是靜子）和直線編碼器以及直線導軌、軸承等框架設計的機械結構等。直線電機的特點是：負載與電機動子緊密地結合在一體，系統(tǒng)高剛度、高動態(tài)性能，工作平穩(wěn)，定位精度高，調速范圍寬，調整簡單：只需要調整無框架直線電機線圈與磁體之間的氣隙。 [align=center] IL 無鐵心系列 IC 有鐵心系列[/align] Danaher Motion公司的PLATINUM®DDL電機有3個系列：IL無鐵心，IC有鐵心系列和ICD小型有鐵心系列。 　　 IL無鐵心系列：峰值推力為60 ～1600 N，連續(xù)推力為21 ～450 N。特點是：零齒槽效應，無電磁吸力，運動平穩(wěn)，可以以1 微米/秒的最低速度運行，小質量的線圈總成，能產生高加速度。 　　 IC有鐵心系列：峰值推力190 ～15625 N，連續(xù)推力73 ～12023 N。特點是：防齒槽效應專利技術，能在無磁體偏置條件下降低齒槽效應；高電機常數（Km）；高推力密度。 　　 ICD小型有鐵心系列：峰值推力170 ～1130 N，持續(xù)推力57 ～315 N。特點是：尺寸極??；電磁吸力?。贿m用于替換某些無鐵芯電機的應用。 　　 直接驅動技術的特點 　　 由此可以總結出DDR和DDL直接驅動的特點： 　　 ■低轉速/大轉矩：由于直接驅動沒有中間機械傳動環(huán)節(jié)（齒輪箱、絲杠/螺母，齒輪/齒條，齒輪/齒形帶，皮帶/皮帶輪，聯(lián)軸器）的降低轉速/放大轉矩的作用，要求直接驅動電機低轉速/大轉矩，故又稱直接驅動電機為力矩電機。 　　 ■免維護：由于直接驅動沒有中間機械傳動環(huán)節(jié)（齒輪箱、絲杠-螺母，齒輪-齒條，齒輪-齒形帶，皮帶-皮帶輪，聯(lián)軸器等），無需對中間傳動環(huán)節(jié)進行機械維護。只有直接驅動直流無刷電機電機一個驅動部件，由于直流無刷電機沒有電刷也不需要維護。 　　 ■零間隙，高剛度（低柔性）：由于直接驅動沒有中間機械傳動環(huán)節(jié)，不存在中間機械傳動環(huán)節(jié)的傳動間隙（齒輪間隙，絲杠/螺母間隙），沒有中間機械傳動環(huán)節(jié)存在的柔性的問題。 　　 ■極好的伺服性能：由于直接驅動具有零間隙，高剛度，伺服環(huán)（速度環(huán)，位置環(huán)）可有較高的閉環(huán)帶寬。高帶寬使系統(tǒng)有極快的響應速度和抗負載擾動的能力。 　　 ■具有較大的加/減速負載的能力：不存在慣量匹配問題，電機的加速能力全部用來加速負載，無需加速中間機械傳動環(huán)節(jié)。 　　 ■極好的低速和高速性能：直接驅動直線電機可以獲得低于1微米/秒的低速和獲得5米/秒以上的高速。 　　 ■極高的精度：由于沒有中間機械傳動環(huán)節(jié)的傳動誤差，直接驅動可以獲得極高的位置精度。定位精度（絕對位置精度）取決于反饋裝置的精度，重復定位精度取決于系統(tǒng)的分辨率。 　　 ■用具有28 bits分辨率的S600驅動器驅動直線電機可以獲得0.12納米（極距/分辨率＝32 mm/228）的重復定位精度。用具有28 bits分辨率的S600驅動器驅動無框架直接驅動旋轉電機可以獲得0.005角秒（360度/分辨率＝360度/228）的重復定位精度。 　　 ■緊湊/堅實的外形：無框架直接驅動電機是機器的一部分，使機器的外形更加美觀。 　　 ■靜音運行：運行時沒有中間機械傳動環(huán)節(jié)的運行噪音。 　　 在實際應用中，有高速、超精度要求的伺服軸可以采用直接驅動技術，而其它軸仍采用常規(guī)伺服或步進電機技術，即所謂“混合驅動”模式。 　　 直接驅動伺服系統(tǒng)對控制器的需求 　　 為了滿足高速、高精度伺服軸的控制要求，需要有高性能的多軸運動控制卡，64位DSP或CPU逐漸成為運動控制卡的主流，運算速度大大提高；為解決控制卡到伺服驅動器之間的信號高速、高分辨率、高可靠性傳輸問題，以往的模擬量信號或現(xiàn)場總線級總線都難以滿足要求，尤其是多軸應用，需要速度快、可靠性高的運動控制級總線。Danaher Motion公司開發(fā)的SynqNet運動控制總線及控制卡很好地解決了這些問題。 [align=center] ■ 正常時雙環(huán)路 ■ 數據路徑可選，一條通道備用 ■ 斷線時 ■ 自動識別故障點 ■ 故障點隔離 ■ 網絡重配置 ■ 啟用備用通道，建立兩條數據路徑 ■ 恢復通訊[/align] SynqNet運動控制總線及運動控制卡 　　 SynqNet運動控制總線 　　 SynqNet運動控制總線是Danaher Motion公司開發(fā)的、基于工業(yè)以太網的運動控制級總線。 　　 SynqNet運動控制總線是一個高性能、全數字的開放性同步運動控制網絡，它采用一種實時、同步數字網絡專利技術及雙冗余數據通道設計，從而可在各種復雜應用中實現(xiàn)卓越的運動性能，并確保機器運行的高可靠性。 　　 高性能的運動網絡需要密切管理的定時機制，以確保多個軸的同步和實時更新。盡管以太網為采用分布式控制的一般應用提供了足夠性能，但它的速度過慢，無法在苛刻的環(huán)境中使用，在這些環(huán)境中，人們需要使用一個快速同步網絡將集中式運動處理器與多個伺服軸相連。SynqNet 是第一個商業(yè)性100BaseT （IEEE802.3） 網絡，提供了集中式控制模型的全部性能優(yōu)勢，在性能、容錯、可靠性和診斷功能上都得到增強。SynqNet 專門支持高性能集中式控制系統(tǒng)，具有自修復操作、基于發(fā)現(xiàn)的簡單組態(tài)以及很高的抗噪聲干擾性能。另外，SynqNet 還得到提供眾多低成本產品的多家驅動器供應商的支持，提供了獨特的性能/價格比優(yōu)勢，從而被越來越多的行業(yè)巨頭和原始設備供應商（OEM）客戶所采用。 　　 SynqNet運動控制總線技術優(yōu)勢 　　 SynqNet運動控制總線具有以下特性： 　　 ■開放式、經現(xiàn)場驗證的IEEE 802.3-100BaseT 物理層； 　　 ■針對噪聲抗擾度和電纜短路的電氣隔離、冗余自恢復的容錯網絡，自動網絡組態(tài)和完整性檢驗，確保網絡的可靠性； 　　 ■節(jié)點之間電纜可長達100米，利于實現(xiàn)分布控制； 　　 ■伺服驅動器轉矩刷新率高達48kHz（20.83us，ZMP卡帶4軸時），確保伺服準確與快速的兼顧性能，利于實現(xiàn)集中控制，適合控制復雜機器的中央控制體系結構； 　　 ■支持多達32個協(xié)調軸，實現(xiàn)多軸協(xié)調控制； 　　 ■固件/驅動配置可下載，便于實現(xiàn)電機驅動性能的遠程組態(tài)、更新和故障診斷； 　　 ■開放的/經濟有效的設計、多廠商支持的解決方案； 　　 SynqNet運動控制總線：冗余自恢復的容錯網絡 　　 支持SynqNet運動控制總線的運動控制卡 　　 這是一款高性能的運動控制卡，MEI的應用程序編程接口（MPI）設計用于多線程環(huán)境，支持Windows 2000/NT/XP 及以下實時操作系統(tǒng)：VxWorks®enturCom RTX®ynxOS、PharLap ETS 和QNX®Ａ磽猓琇inux 版本的MPI 還可用于RedHat 操作系統(tǒng)。 　　 MPI 應用程序很容易在Microsoft Visual Studio 或Borland C++Builder 等集成開發(fā)環(huán)境中進行開發(fā)。根據操作系統(tǒng)的不同，也可以使用其它編譯程序，如Linux 通用GNU 編譯程序。 　　 所有其它運動實用程序和軟件工具都可在Windows 2000/NT/XP 系統(tǒng)上運行。如果運動控制主機運行Linux、VxWorks 或其它實時操作系統(tǒng)的情況下，所有實用程序都具有TCP/IP 功能，允許遠程主機運行應用程序。 　　 MEI SynqNet 是一些基于PC 的平臺，但eXMP-SynqNet 獨立控制是例外，它是計算機和SynqNet 控制器在的一種方便組合。 　　 ZMP-SynqNet-PCI運動控制卡采用實時64位雙精度浮點Motorola PowerPC微處理器，CPU 466MHz、16MB 133MHz SDRAM，強大的處理能力和運算速度，使理論上處理4個伺服軸時節(jié)點伺服刷新率高達48kHz，處理12個伺服軸時節(jié)點伺服刷新率高達16kHz。使用帶有MEI MechaWare 庫的MatLab? 和Simulink?，可以迅速建立任何系統(tǒng)的模型，并通過SynqNet 控制器加以實現(xiàn)：多種濾波器、狀態(tài)觀察器、狀態(tài)反饋、坐標轉換、使用ZMP 的64 位雙精度計算、復雜傳動跟隨方法、增益切換、振動控制、復雜多入多出（MIMO）的工廠模型、易于定義的臺架控制拓撲結構，以及可以設計自定義控制方案等等強大功能。 　　 SynqNet運動控制總線及運動控制卡的應用 　　 在伺服更新速率、遠程診斷以及服務通道方面，SynqNet 是目前為止市場上出現(xiàn)的性能最高的運動網絡。大量的市場應用案例已經證明，作為一個高性能、全數字的同步運動控制網絡，SynqNet 可以幫助用戶極大地降低成本，縮短機器設計和制造的周期。 　　 SynqNet 非常適用于半導體、電子組裝、平板顯示器、醫(yī)療、數控系統(tǒng)以及工業(yè)機器人行業(yè)中的機器級控制。特別對于醫(yī)療應用來說，SynqNet 是唯一的一個可取得高安全性和高機器利用率的“自修復”容錯運動網絡。