精密直線電機ISD203智能伺服系統驅動器關鍵技術研發

楊柳

摘要：精密直線電機ISD203智能伺服驅動器系統，集永磁同步電機（PMSM），內置PLC、驅動、運動控制功能于一體，可單獨使用或多臺組網構成多軸控制系統，并可共享各軸的I/O，并支持定位、電子齒輪、凸輪、同步控制。驅動器內部集成了單軸定位功能，各軸通過主從式的差分總線連接，通過總線傳輸參數、控制各軸的運行，支持錯誤校驗和重試。

關鍵詞：精密直線電機;智能伺服系統;驅動器;技術研發

0 ?引言

目前，國內外的直線電機伺服驅動器都在向高效率化、直接驅動、高速化、高精化、高性能化已經一體化合集成化方向發展。

工業智能設備經常采用多軸控制系統，為使設備能達到較高的定位精度，除了要求控制器有很準確的路徑規劃算法及插補功能以外，智能伺服驅動器也必須保證在執行控制位置指令時，保持所有控制運動部件嚴格同步。同時，為了提高設備的運行速度，需要智能伺服系統具有較強的瞬時過載能力和較高的動態響應特性。因此，研究控制精密直線電機的智能伺服驅動系統，廣泛應用在要求實現高速、高精度位置控制的自動化設備，尤其是直線電機中具有重要意義。

精密直線電機ISD203智能伺服驅動系統，可廣泛應用在要求實現高速、高精度位置控制的工業機器人及工業數控設備。集內置PLC、驅動、運動控制功能于一體，同時支持高級TML運動語言;可單獨使用或多臺組網構成多軸控制系統，并可共享各軸的I/O，并支持定位、電子齒輪、凸輪、同步控制。為實現直線電機ISD203高速、高精度位置控制具有重要意義。

現代直線電機智能伺服驅動器技術的發展趨勢是：①驅動和控制一體化。把驅動器和控制器一起集成制造，功能互通，共享內存信息傳輸各種控制、狀態信息，傳輸速率高達200M/S;②微型化。微小型驅動技術是新一代智能驅動器控制的新突破，損耗更少，體積更小，質量小，性能更強，成本更低;③標準化。所有部件全部使用標準原件，實現結構組成標準化，裝配和維護將更加簡單快捷和安全; ④控制數字化。應用驅動器全數字控制是目前直線電機驅動器技術的有效解決方法，將進一步得到發展;⑤高速化和高精化。相比旋轉驅動電機，速度和精度都得到了極大提高，這是保證驅動技術得到廣泛應用的推動力。⑥低噪音。相比其他技術，噪音更低。

1 ?建立永磁同步電機（PMSM）

永磁同步電機的原理為：在電動機的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后會在電動機的定子繞組中形成旋轉磁場，磁場空間中產生磁場推力，使定子和永磁體轉子產生相對運動，產生推力，帶動電機工作。具體地說，因為三相正弦電流對稱，通電后產生磁場，帶動轉子旋轉，利用磁性的異性相吸原理，吸引其中的永磁體產生一個恒定的磁場進行旋轉，這是一個以通電頻率為角速度的磁場，其轉矩與主磁通量和轉矩電流分量成正比，提供了永磁同步電機的輸出參數，從而帶動直線電機運行。如圖1所示。

基本工作結構主要是由兩大部分組成：定子結構（電磁繞組）和轉子結構（永磁體），其他還有鏈路等。

定子結構十分類似于普通感應電機結構，主要是由電磁繞組構成，高耐熱的漆包線組成了電磁繞組線圈的導線，每個繞組有兩個直角邊，分別嵌入齒槽中，起很好的固定作用，所以稱之為定子，它是電磁通量進行能量轉換的主要組成部分。電磁繞組分為單層繞組和雙層繞組，其中，雙層繞組的每相每極多于兩個繞組邊時，此電磁繞組成為分布式繞組，該繞組對方波有很好的效果，并產生特有的端部效應，通電的三相繞組對定子永磁體產生磁性作用，當嘗試的磁場力的方向相同時，合力達到最大，對直線電機產生強大推力，并且低振動和低噪音。因此，三相繞組的排列有一定順序，不能隨便安裝，磁場感應力會有抵消作用，不允許出現這個情況。這時候，可能會產生某一齒槽出現空槽現象，這會使電磁繞組的三相電流參數不對稱，無法形成最大合力，也達不到最大推力，不符合設計要求，在這種情況下，可以采取電磁繞組重組方式，保持原繞組各相不變化，只改變空槽的繞組，這樣可以使電磁電流方向保持不變，同原來的一致，保留了原有電磁繞組的特性。

轉子結構由轉子鐵芯、永磁體和轉軸組成。永磁體使用釹鐵硼稀土，我國有豐富的稀土資源，性能價格比較好，應用廣泛。永磁體與定子電磁繞組和鐵芯進行相互耦合作用，產生反電動勢，這樣，電機啟動以后，電流就會減小，可以較好地起到保護設備的作用，延長壽命，并大大地降低了成本。同時，將磁性鋼板交替安裝在鐵板上，可以減少磁通量泄露，提高磁感應強度，降低磁滯效應損失，增大直線電機的推力。

直線電機的裝配。如圖2所示，首先，進行電機的平面度和直線度檢驗，其次，安裝定子結構，即電磁繞組，再次，固定轉子，最后調整各部件之間的間隙，其中最主要的是磁極板間的氣隙。其中，要注意定位臺階的位置。

2 ?精密直線電機ISD203的智能伺服系統結構

智能伺服系統結構主要由四個運動軸組成，其中包括三個直線軸和一個旋轉軸，各軸通過主從式的差分總線連接和組裝。直線電機智能伺服系統安裝在慣性量最大的直線軸上。直線電機選擇合理，連續推力較大，可以滿足生產需求，動態性能更好，并沒有齒槽效應，降低了發熱量。

伺服系統驅動器可以接受外部位置脈沖指令輸入和各種信號編碼器反饋，內部有位置控制、速度控制、電流控制三種閉環控制方式。其控制原理如圖3。

伺服系統驅動器主要有三種：方波信號傳輸編碼器、正弦信號傳輸編碼器和針對絕對坐標位置編碼器，并采用方波信號傳輸，參數可滿足要求，這三種驅動方式相輔相成，互相綜合作用，形成一個整體，缺一不可。其基本參數為：輸入電壓范圍-12～12v，最大電流80Ma，最大頻率3.5MHz，速度周期500ms，位置刷新周期250ms，推力大小根據需要調整。

電機和驅動器組成一個閉環智能伺服控制系統，用戶可以通過調整驅動器參數改變伺服系統各項參數。驅動器內部集成單軸定位功能，可以自動運行;坐標編輯使用相對坐標;傳感器可以自動回到原點。速度復位可進行調節、500步/轉，最大行程600mm，軟件自帶限位保護。

驅動器調試提供了三種方式，可由自身產生各種指令控制。電流控制信息由驅動器的電機數據庫參數決定。選擇伺服系統驅動器的速度指令控制、脈沖位置指令控制、位置指令控制和力矩指令控制。速度控制選用 KP和 KV 控制器，當選用脈沖位置控制指令控制，選用 VP和速度、加速度反饋的控制方式。

3 ?智能伺服系統驅動器工作原理

驅動器工作原理如圖4所示。在接收到高電壓源和控制信號反饋信息時，V1和V2接通，電流持續上升，其他條件不發生變化，這時候，V1關閉，導致高壓電源斷開，低壓電源對電磁繞組（定子）提供電源，工作電路導通，作業繼續。如果電流下降，降低到某一個值時，反饋裝置作出響應，使V1接通，這樣電流上升，這樣可以保證驅動器電路電流始終保持在某一個確定值，這種工作原理，由于較好地控制了電流值的大小，并保持了高低壓驅動的優勢，可以很好地發揮直線電機的綜合性能，提高工作效率。

4 ?關于精密直線電機ISD203智能伺服系統驅動器的幾個關鍵技術問題研究及其解決辦法

隨著控制技術、電子技術、自動控制、材料科學等學科技術的發展，帶動精密直線電機進入了高速發展階段，同時，引用范圍也越來越大，而由于智能伺服系統驅動技術比傳統的驅動技術具有更先進的優勢，從而發展越來越快。但同時直線電機本身也面臨一些問題需要得到很好解決，在使用精密直線電機同時，也要克服電機本身的一些缺陷或不足，做好各項綜合比較、充分利用并發揮直線電機的各項優異性能，并注意解決好以下五個方面的關鍵技術研發問題。

①數學建模進行分析解決問題的方法。可以建立直線電機的各種數學模型，模擬和測量實際的作業過程，發現問題，并改正完善，促進電機更快的發展。比如：建立直線電機模型，然后將端部效應加入進去，進行模擬和測試，以達到最好的效果，并促進直線電機的發展。

②高精度和低振動。雖然相比傳統的電機，能達到更高的精度和更低的振動，但是，隨著現代制造技術的不斷進步，和工藝水平的不斷提高，對高精度和低振動有更高的要求，原有的精度和振動已經達不到現在的要求，需要進一步提高，以適應社會不斷進步的需求。

③完善和改進智能伺服控制系統。對于直線電機，負載直接作用于伺服控制系統，原因就是伺服控制系統是直接驅動電機的負載，這樣，受到的切削力或其他的外界負載就直接作用于電機，并直接影響電機的運行，因此，很有必要增強直線電機的抗干擾性，加快電機的響應時間，提高電機的精密度。所以，要整體提高直線電機的伺服系統的總體性能，具體點就是，采用高速計算機控制，盡可能多地進行系統集成，全數字驅動，控制數字化，組成微型化和標準化，真正實現控制和驅動的機電一體化。

④驅動和控制一體化。雖然驅動器和控制器是集成在一起，但是，它們很多時候是分開執行指令，可以將它們的功能更多地集成在一起，提高指令的執行效率，縮短響應的時間，提高整個直線電機的工作效率。

⑤精密直線電機的電壓。精密直線電機的電壓，尤其是電源電壓，直接影響直線電機的推力大小，因此必須采取有效措施，保證電機電源電壓和整個電路電壓的穩定，以保證精密直線電機的正常高效運行。

5 ?結束語

精密直線電機ISD203智能伺服驅動器系統，集成永磁同步電機（PMSM），內置PLC、驅動、運動控制功能于一體，同時支持高級TML運動語言;可單獨使用或多臺組網構成多軸控制系統，并可共享各軸的I/O，并支持定位、電子齒輪、凸輪、同步控制。驅動器內部集成了單軸定位功能，各軸通過主從式的差分總線連接，通過總線傳輸參數、控制各軸的運行，支持錯誤校驗和重試。從而使直線電機驅動器在各個方面的應用越來越廣泛。

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