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高精密度马达驱动控制推动产业升级
 

【作者: Harald Parzuber】2018年04月12日 星期四

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想像一下在汽车制造工厂中的机器人拾取一个引擎本体,将其移动到汽车底盘上,准确地对准位置并放入引擎本体,并返回到原本的位置重复此过程。机器人可承载的重量远大于人类可承受的重量,并且可持续将物品移至特定的地点,以及可不停歇地重复相同的操作–必要的话可持续每天24小时。


像这样的机器人已经成为汽车制造业和其他许多行业的重要支柱,且其使用量正在不断增加。然而,如果没有精确的马达驱动控制,机器人将无法运行。在每个操作点上,多轴机器人必须在三个维度中调整至不同的力量才能触动引擎。机器人内部的马达为精确点位元提供可变的速度和扭矩(旋转力),机器人的控制器使用这些点位元来协调不同轴的运作以进行精确定位。机器人启动了汽车引擎后,马达缩减扭矩,同时让手臂返回到其初始位置。


如同马达驱动器的控制使机器人和其他领域升级进步一般,马达控制本身也依赖于电子元件的进步,以便在现实操作中实现精确控制。高级供电设备、智慧马达驱动器、高性能控制讯号处理以及精确的传感回馈都可以一起运行,以便通过复杂的机器即时提供精确的速度和扭矩。其结果是更强大的功能、更强的生产力和更高的设备和人员安全性。


德州仪器(TI)为设计工程师提供包括软体和工具在内的积体电路(IC)产品,让工程师能够开发业界所需且日益精确的马达驱动控制系统。经过了多年与先进马达制造商的合作,TI运用其丰富且深入的系统专业协助工程师简化马达控制系统设计,同时提高产品的性能。


马达控制的优点

以电子方式控制马达驱动器将推升达到一定的精密度,从而降低成本,创造更高的生产力和新的制造动能。驱动控制可确保相对于分流器的转子位置固定,从而使马达输出更具预测性,且电力使用效率更高。


机器人是最引人注目的应用实例,它的电子控制马达提供精准的运动控制,通常能使超越人类的力量和速度相结合。虽然先前移动引擎本体机器人的实例展示了其力量,其他案例则揭示了移动的精度/速度。举例来说,取放型机器人重复执行精细运动控制,其公差可测量为微米,且通常比人类快很多。


透过协助人类工作者摆脱高速、重复性,有时甚至是危险的任务,电子控制马达可以让工作环境变得更安全。由于机器人被设计成能够完成与人类工作者安全有效的合作,现在这种趋势正在进行新的发展。虽然安全问题通常与系统操作和员工程式有关,但它们还包括内部控制电子设备,它们必须保护设备和工作人员免受电击危害。安全性一直是设计工业机器和运行工业马达的重要元素。


精密马达控制的设计挑战

许多的马达类型都用于特定的任务,但大多数工业马达都采用交流(AC)电源供电的三相电源。图1展示了用于这类系统的代表性控制电子元件的原理图。交流电输入被整流为直流电(DC)。脉冲宽度调变(PWM)开关三相逆变器产生三个高频脉冲电压波形,它以分相输出到马达的三相绕组。



图1 : 三相交流感应马达控制系统。
图1 : 三相交流感应马达控制系统。

在这三个电源讯号中,运动负荷的变化会影响目前的回馈,并将其数位化发送到数位处理单元,例如微控制器(MCU)、微处理器(MPU)、处理器或可程式设计逻辑闸阵列(FPGA)的电流回馈中。


当马达负载发生变化时,电子控制系统可以即时修改电压输入和输出扭矩,进而使机器的输出动力和功耗更加接近应用需求。电子输入控制还可以改变马达本身的驱动速度,而不是依靠昂贵的齿轮、皮带和滑轮来输出不同的速度。这种控制使步进马达能够在机器人运动控制中小增量或微步移动转子位置。由于这些原因,高效的运行使得应用程式能够使用更佳适应工作的受控马达,而降低了原先大部分的开销。


运行效率与生产力的提升并驾齐驱。例如,组装线上的传送带通常与其他系统协同工作,这些系统可以将物品放在传送带上,对物品进行操作或从传送带接收后续的步骤。传送带通常以一致的速度向前移动,但有时可能需要改变速度,停止或暂时反转方向。


随着传送带上物品的数量和重量的不断变化,完成这些动作需要控制马达驱动器,以便自动调节其输出。马达之间的协调可能也需要控制马达驱动器,因为工厂中的多个传送带通常是同步的,以保持物品以最佳速率移动。在不断变化的条件下保持传送带移动的可控马达,不仅对能整个工厂的生产力产生积极影响,同时也在现代制造环境中发挥着至关重要的作用。


  


精确控制的马达还具备新的制造功能。


幸运的是,新型高频材料和整合SMPS模组让设计控制系统中的高性能电源变得更加容易。


精密的马达控制还需要即时进行极高速的计算,最好由具备数位讯号处理器(DSP)功能的微控制器提供。 DSPs还能够执行数位滤波和其他功能,以保护系统免受功率瞬变和其他讯号缺陷的影响,同时减少执行这类功能的类比零组件需求。虽然专为逻辑与通用型MCU可用于低成本应用基本控制,但机器人和其他先进制造设备中的工业马达需要具有即时的回应和准确性,以及弹性程式设计和MCU提供的先进演算法数位讯号控制。


数位处理单元中的高速数位讯号处理演算法可以即时确定变化的条件是否有必要对传递的能量进行调整。处理单元向三相逆变器发送带有PWM的控制输出,以便对功率开关进行闸极控管,并调节输出到绕组的功率,进而为马达提供更高或更低的扭矩或速度。额外的传感资料可以被馈送到控制器中以追踪系统输入电压和温度变化。


所有这些零组件都需要高阶性能来实现精密的马达控制。用于控制系统供电的开关电源(SMPS)必须能够进行超高速切换,且持续以高解析度进行控制。电源设计是严格的,因为所涉及的高电压和高频率以及大量的被动零组件,它们牵涉了难以管理的相互反应阻抗。


马达控制系统面临的最大挑战之一是设计高解析度电流和电压传感回馈。这些设计可能仅测量一个分流器的电流回馈,但用更深层次(如果计算密集程度更高)的方法测量来自所有三个分流器的回馈。


为了避免类比讯号丢失或干扰的可能性,设计师们越来越多将回馈讯号数位化,使其尽可能接近感测器。然而,数位回馈讯号在时序方面可能存在潜在的问题,特别是随着时脉速度的增加和采样速率的提高,这会带来更窄的时序视窗。时脉和资料讯号的不同走线长度可能会加剧此问题,如果讯号随着零组件在工作期间变热而发生漂移,则可能会导致资料错误。采用先进的讯号调变器的良好设计可以最大限度地减少这些问题,根据温度增益修改变数的演算法也可以对其进行补偿。


应用要求越精确,马达就能越准确地处理温度、电压输入、时序和其他因素的变化。例如当系统在高温下运行时,在三维空间中以直线移动物体的机器手臂可能会改变其轨迹,除非控制设计通过温度感测和演算法调整来补偿这些变化。进行这些相同类型的即时调整是有必要的,这使得细微的机器人取放和放置运作能够以微米为单位进行一致性测量,而不是以毫米公差进行较低精密度的移动。考虑到制造环境在温度、灰尘、振动和其他应力方面通常要求很高,精密设计的马达控制电子设备能够在各种条件下都保持一致,这一点至关重要。


马达驱动控制技术

TI提供设计精密马达控制系统所需的先进技术,以及适用于当今整合型制造环境中有效运行的可靠驱动电子元件。 TI的解决方案包括隔离和非隔离式开关闸极驱动器,用于即时控制的回馈讯号转换和高速处理器,以及可编程时脉产生器和DC / DC电源等协助工具。对于先进的SMPS和三相逆变器设计,TI提供包括GaN开关和闸极驱动器的高频率氮化镓(GaN)闸极驱动器和模组。


对于低电压三相逆变器,TI提供的智慧闸极驱动器内置FET的驱动器和整合控制的驱动器,从而实现简化准确的控制,并缩短开发时间。产品包括很多安全特性,例如符合工业规格的加强型隔离;经过测试并符合恶劣工业环境的要求。此外,TI还通过简化设计并加快开发速度的深度支援技术为其积体电路提供支援。


TI近期最重要的马达控制创新之一是AMC1306隔离式三角积分调变器,该装置将来自电流和其他感测器的讯号数位化,然后输出组合资料和时脉讯号,以获得最大时间效率。作为AMC1xxx系列隔离式讯号调变器的最新产品,AMC1306将TI的整合电容隔离技术设备串联在一起,以最小的占位面积实现增强型隔离功能。在感测器输出电平变化的Deltasigma系数转换之后,曼彻斯特将时脉速率编码到资料流程上,如图2所示。



图2 : 采用小型Δ-Σ调变器的增强隔离式相电流检测叁考设计。
图2 : 采用小型Δ-Σ调变器的增强隔离式相电流检测叁考设计。

其结果是产生一个高度可靠的讯号,可显著减少随着工作温度的变化而发生的设定和保持时间的问题,从而简化三相马达控制系统的设计和布线。


曼彻斯特编码时脉嵌入资料流

为?明设计人员实现AMC1306调变器,TI创建了带有小型Delta-Sigma调变器参考设计的增强型隔离式相电流检测参考设计。图2显示了参考设计的功能,包括用于电流、温度和电压检测讯号的AMC1306。 (该设备用于对马达分流器的所有三个电源讯号进行电流检测,但为了减少细节,仅显示一个讯号)参考设计电路周围的红色虚线表示为了安全起见,它将被有效隔离。


AMC1306三角形中的中断点以及ISO53xxx绝缘闸双极型电晶体(IGBT)开关驱动器内的虚线红线表示了加固隔离的特定要点,该驱动器也采用TI的整合电容式隔离技术。


图2展示了使用TMS320F2837x Delfino 32位浮点MCU进行的控制处理,这是TI多元的C2000 MCU系列之一,专为高性能计算和程式设计而设计,附带用于控制系统的外设。 C2000 DesignDRIVE软体平台支援多种马达类型,有助于加速演算法开发和系统实施。 InstaSPIN马达控制解决方案提供了多种演算法、工具和参考设计,可用于评估,快速学习和快速开发。 TI的DSP和模拟专业技术结合了全面的解决方案,为开发人员节省设计先进马达驱动控制的时间。


用于整合制造的精密马达

行业正在朝着更精密的控制,机器之间的更多交流,更广泛的传感输入以及机器人和人工智慧的新功能。这些进步带来了被称为第四次工业革命(在蒸汽机械化、装配线大规模生产和电脑辅助自动化的上一次革命之后)的整合自动化和资料交换的革新。


精密控制的马达为这场革命做出了重大贡献,因为它们几乎可以驱动工业机器所做的每一个动作。 TI的先进技术在实现高解析度马达控制方面发挥了重要作用,并帮助制造商将马达和运动控制推升转型。系统开发人员知道,他们可以寻求于TI提供的多元IC解决方案组合和深入支援系统,以提高马达产品的性能,同时简化设计。随着第四次工业革命的展开,TI及其客户将持续处于引领技术。


(本文作者Harald Parzuber为德州仪器工业系统团队马达驱动部门经理)


参考文献

[1] Anant S. Kamath,隔离式交流马达驱动器:了解IEC 61800-5-1安全标准,TI(2015)。


[2] AMC1306 产品资料


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