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合景注冊合景平臺【合景注冊登錄】隨著工業(yè)4.0、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等概念的深入推廣與逐步落地，信息時代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè), 引起后者的深刻變革。極大地推動了運動控制產(chǎn)品在工業(yè)以太網(wǎng)、模塊化及分布式伺服驅(qū)動器、深度軟件開發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展。在這場新技術(shù)革命沖擊下,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變, 微電子技術(shù)、 微計算機(jī)技術(shù)使信息和智能與機(jī)械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合, 促使機(jī)械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時, 運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分, 也得到前所未有的大發(fā)展。
在大多數(shù)制造業(yè)的生產(chǎn)流程中,運動控制占有非常重要的地位,很多的機(jī)器、設(shè)備,包含半導(dǎo)體或是光電產(chǎn)業(yè)設(shè)備,或者是傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)業(yè)的車床、銑床、CNC 整合加工機(jī)具等,都包含運動控制的模塊。未來，運動控制系統(tǒng)將跟隨全球智能化潮流，走上一條高精尖的發(fā)展道路。運動控制系統(tǒng)主要體現(xiàn)出以下幾個發(fā)展趨勢:
從目前技術(shù)的發(fā)展來看，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，伺服控制技術(shù)正在向數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調(diào)試、使用十分簡單, 因而備受青睞。不僅如此，隨著目前智能化的大幅度推廣以及網(wǎng)絡(luò)化模塊化的盛行，而現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動設(shè)備也同時具備著參數(shù)記憶的功能，以及自身故障的診斷和分析的功能，有的伺服電機(jī)甚至還具備了識別參數(shù)的性能，還能在發(fā)現(xiàn)振動的時候自動對其進(jìn)行抑制，自動將編碼器進(jìn)行測定并歸零，這些都是伺服驅(qū)動器在智能化的發(fā)展趨勢。
這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)，可以對電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動器和電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮DSP 的高速運算能力了，自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負(fù)載變化，實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅(qū)動器還具有快速傅立葉變換(FFT)的功能，測算出設(shè)備的機(jī)械共振點，并通過陷波濾波方式消除機(jī)械共振。而網(wǎng)絡(luò)化的重點發(fā)展方向就是如何適應(yīng)高性能運動控制對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、同步性以及可靠性的要求。
基于以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的伺服運動控制系統(tǒng)以其高可靠性、快速性和穩(wěn)定性成為伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)在局域網(wǎng)和Internet上取得了巨大成功。目前，以太網(wǎng)已非常成功的應(yīng)用于企業(yè)信息系統(tǒng)的市場經(jīng)營管理層、生產(chǎn)管理層及過程監(jiān)控層。假如將以太網(wǎng)引入底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，不僅可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層、過程管理層和控制層在垂直層面的集成，更能降低不同廠商設(shè)備在水平層面上的集成成本。與傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛、軟硬件資源豐富、支持所有的編程語言、易于與 Internet 連接等諸多優(yōu)點。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個研究熱點，目前，多家自動化公司先后推出了自己的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案，目前主要的5大工業(yè)以太網(wǎng)有：PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、EthernetPowerlink、SERCOS III。
隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的日新月異，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷提高，特別是以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的成功，運用網(wǎng)絡(luò)通信的方式來實現(xiàn)傳統(tǒng)運動控制的架構(gòu)成為必然的趨勢。網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)成為目前伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。把網(wǎng)絡(luò)引入伺服控制系統(tǒng)，在控制器和伺服驅(qū)動器之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使控制器和驅(qū)動器之間數(shù)據(jù)傳輸在速度和可靠性方面大大的提高，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸運動控制指令和同步信息，因此對網(wǎng)絡(luò)的帶寬和實時性的要求很高，但使得控制系統(tǒng)靈活性增強(qiáng)，同時也提供了精確的多軸同步功能。
采用工業(yè)以太網(wǎng)總線作為運動控制的網(wǎng)路總線，目前市面上由BECKHOFF推出的EtherCAT通訊在運動控制行業(yè)中比較火熱，支持EtherCAT通訊的伺服驅(qū)動器也比較多， ETG協(xié)會負(fù)責(zé)EtherCAT通訊的推廣。
伺服產(chǎn)品應(yīng)具備更小的體積和安裝尺寸，幫助用戶在有限的時間和空間范圍內(nèi)進(jìn)一步提升其運動控制的自動化水平并降低總的應(yīng)用成本?？聪伦罱髽I(yè)發(fā)布的新產(chǎn)品就不難發(fā)現(xiàn)，各家都把小體積尺寸作為一大重點。而這一點體現(xiàn)在產(chǎn)品的技術(shù)實現(xiàn)上，單臺驅(qū)動器輕薄的尺寸和多臺驅(qū)動器可并排、等高、無縫安裝的外形設(shè)計，讓伺服驅(qū)動組件在電氣柜內(nèi)的布局更加整齊、緊湊。這個不難理解，更小的體積，意味著可以在單位空間內(nèi)放置更多運動控制部件，這是提升設(shè)備自動化，完成更多精細(xì)動作的基礎(chǔ)。但企業(yè)其實并不僅僅是在單臺設(shè)備的體積的優(yōu)化，為了使多軸系統(tǒng)的硬件空間進(jìn)一步優(yōu)化，其他技術(shù)也不斷被應(yīng)用。
模塊化意味著操作性更強(qiáng)。用戶可以根據(jù)實際的應(yīng)用情況，將需要使用的伺服功能予以強(qiáng)化，使之專而精，將不需要使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服系統(tǒng)的成本，創(chuàng)造更多的收益。而隨著節(jié)約機(jī)柜空間的需求以及更加模塊化的機(jī)器設(shè)計的總體趨勢日益凸顯，一些運控廠商都開始力推這些概念。畢竟，在工廠內(nèi)，空間就是金錢，而這些模塊化系統(tǒng)可實現(xiàn)更分散的設(shè)備布局，同時可以最大程度上縮小已經(jīng)存在的驅(qū)動器的機(jī)箱尺寸。
所謂多軸一體化就是一個伺服驅(qū)動器可以帶多個伺服電機(jī)。多軸一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)更緊湊，安裝更方便。從運動控制的角度出發(fā)，多軸伺服是當(dāng)前的重要趨勢，即單個驅(qū)動器可以處理多個軸上的運動。
當(dāng)在大型多軸運控設(shè)備系統(tǒng)中使用分立式伺服驅(qū)動器與電機(jī)產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)布局時，顯然，由于伺服軸較多，設(shè)備產(chǎn)線上必須要有內(nèi)部空間體積足夠大的電氣柜來承載與伺服電機(jī)數(shù)量相對應(yīng)的伺服驅(qū)動器，因此，大量伺服驅(qū)動器在柜內(nèi)集中安裝帶來的首要問題就是設(shè)備的空間占用。因此采用多軸一體化伺服驅(qū)動器，由于減少了系統(tǒng)器件的數(shù)量，電氣柜尺寸大大減小，從而能夠節(jié)約安裝空間，降低系統(tǒng)成本。與市場同類產(chǎn)品相比，整機(jī)尺寸大大減小，節(jié)能低耗，更省電。采用多軸一體化伺服驅(qū)動器控制柜的布局前后對比，如下圖所示。
驅(qū)控一體機(jī)是一款集工業(yè)PC、運動控制和伺服驅(qū)動為一體的產(chǎn)品，近兩年，驅(qū)控一體技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域盛行，驅(qū)控一體成為工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域備受熱議的話題。將驅(qū)動器和控制器合二為一，不僅帶來了更小的體積，也帶來了更加可控的成本，因此許多工業(yè)機(jī)器人都選用“驅(qū)控一體”產(chǎn)品。
驅(qū)控一體集成運動控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置、及多外部擴(kuò)展接口為一體，整體尺寸小，較傳統(tǒng)運動控制電控柜可靠性更高，客戶應(yīng)用和布線更簡單，具有集成便攜、互聯(lián)、低成本、高集成、模塊化等特點。
驅(qū)控一體技術(shù)的好處在于縮小了工業(yè)機(jī)器人的體積，同時帶來更加可控的成本。驅(qū)控一體基于硬件電路集成度的提高，為工控產(chǎn)品的小型化發(fā)展提供了必要的條件，以成本、安裝尺寸和系統(tǒng)性方案上的優(yōu)勢備受市場青睞。同時，功能模塊化的開發(fā)方式可以幫助用戶縮減產(chǎn)品設(shè)計時間，提高工作效率，成為企業(yè)降本增效的不二選擇。
但驅(qū)控一體不是簡單將運動控制和伺服驅(qū)動放在一個盒子里，這只是簡單的產(chǎn)品硬件整合，更重要的是軟件的揉和，只有同時實現(xiàn)了硬件一體化設(shè)計以及軟件一體化設(shè)計的，才能稱為真正的“驅(qū)控一體”。同時這也是目前國產(chǎn)驅(qū)控一體產(chǎn)品備受爭議的關(guān)鍵技術(shù)點。
現(xiàn)有機(jī)器人的硬件控制系統(tǒng)大多由 PC+運動控制卡+伺服驅(qū)動器或者PC+總線伺服驅(qū)動器組成，在典型的運動控制系統(tǒng)中，通常采用一個運動控制器加多個伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的運動控制策略逐漸顯示出高能耗、高成本、低可靠性、線纜比較復(fù)雜，安裝部署比較耗時等缺點。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器可以逐漸實現(xiàn)復(fù)雜緊湊高性能的要求。將控制與驅(qū)動部分進(jìn)行集成，可以完成對多個伺服電機(jī)的閉環(huán)控制和驅(qū)動，節(jié)約空間，避免硬件重復(fù)浪費且降低成本，具有很高的研究價值和實用價值。
驅(qū)控一體技術(shù)即這種將運動控制與驅(qū)動緊密結(jié)合的架構(gòu)技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)多軸控制結(jié)構(gòu)中的許多缺點，如配線過多，對系統(tǒng)調(diào)試維修困難；采用基于模擬信號的數(shù)據(jù)傳輸，抗干擾能力差；模塊繁多，相互制約等。如下圖所示為驅(qū)控一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計算機(jī)作為系統(tǒng)控制的上位機(jī)，完成人機(jī)交互，指令解析等功能，驅(qū)控一體化控制器完成對多個伺服電機(jī)的閉環(huán)控制和驅(qū)動。計算機(jī)與控制器間通過實時以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)。
驅(qū)動一體化伺服電機(jī)即集成驅(qū)動伺服電機(jī)，就是一臺集成了伺服驅(qū)動器的伺服電機(jī)。也就是將伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)整合在一起的集成一體化產(chǎn)品。電機(jī)、反饋、控制、驅(qū)動、通訊的縱向一體化成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。有時我們稱這種集成了驅(qū)動和通訊的電機(jī)叫智能化電機(jī)，有時我們把集成了運動控制和通訊的驅(qū)動器叫智能化伺服驅(qū)動器。電機(jī)、驅(qū)動和控制的集成使三者從設(shè)計、制造到運行、維護(hù)都更緊密地融為一體。
驅(qū)動一體化伺服電機(jī)，其優(yōu)勢包括：體積小、重量輕、部署靈活、低成本，高可靠性，集成驅(qū)動伺服電機(jī)的主要價值和意義應(yīng)該在于：
單電纜技術(shù)是伺服驅(qū)動器和電機(jī)之間的數(shù)字高速通信接口，使得編碼器僅需2芯線，從此伺服電機(jī)只需一根電纜。單電纜伺服系統(tǒng)最顯而易見的特點是省線：只需一根電纜。
傳統(tǒng)的伺服電機(jī)需要一根動力電纜和一根編碼器電纜?，F(xiàn)在，兩根電纜合二為一，更少的電纜和插頭意味著可以節(jié)省一半的成本，并減少故障來源和資源的消耗。由于只需一個連接器，電機(jī)的體積可以做到更小，對于中小功率的多軸伺服系統(tǒng)來說，這種優(yōu)勢尤為明顯。
單電纜伺服技術(shù)的核心價值在于為編碼器和電機(jī)反饋提供了一種數(shù)字化的通訊接口，方便用戶以更少的元件和線纜承載更多數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)更多現(xiàn)場級的信息化應(yīng)用場景，例如：電機(jī)故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備預(yù)防性維護(hù)...等等。因此，基于數(shù)字化通訊協(xié)議的單電纜伺服反饋技術(shù)，其實是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)智能制造在設(shè)備數(shù)字化層面的一個重要元素。
采用單電纜反饋技術(shù)，編碼器電纜與電機(jī)動力電纜合二為一，更加簡化的線路連接，如減少端口的類型和數(shù)量，幫助系統(tǒng)節(jié)省電柜內(nèi)接線和配電元件的總體數(shù)量。節(jié)省布線空間，簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低總線成本，采用純數(shù)字信號傳輸，增強(qiáng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)的可靠性。目前市面上同時存在有四種的單電纜伺服解決方案，HIPERFACE DSL、BiSS LINE、和 SCS open link、Endat2.2。
其中，德國西克SICK于2011年，推出了HIPERFACE DSL®接口，開創(chuàng)了單電纜伺服系統(tǒng)，可以說是單電纜技術(shù)當(dāng)之無愧的鼻祖。采用單電纜技術(shù)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)逐漸進(jìn)入人們的視野。最早一代的單電纜伺服電機(jī)，例如：BECKHOFF的AM8000系列和ROCKWELL的VPL系列，經(jīng)過多年的發(fā)展和市場考驗，已經(jīng)得到了廣泛的用戶認(rèn)可。
HIPERFACE DSL®協(xié)議的物理層符合RS485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率達(dá)9.375 MBd。數(shù)據(jù)的傳輸與驅(qū)動周期同步，最短為12.1μs，并且驅(qū)動器和編碼器之間的電纜最長可達(dá)100米。
HIPERFACE DSL® 數(shù)字伺服反饋技術(shù)引領(lǐng)了機(jī)器人發(fā)展的方向，為單電纜機(jī)器人的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)，由于整體機(jī)器人的布局減少了將近一半的電纜數(shù)量，使得整個機(jī)器人的布線更加簡潔緊湊，并且重量也更輕盈，機(jī)械運動的慣量也達(dá)到更小，最終達(dá)到更少的能耗。更低的成本，更少的空間需求，更高的性能以及更高的安全性和可靠性，機(jī)器人的最終使用者將從中獲得最大的收益。
•傳統(tǒng)的編碼器使用多芯電源和通信電纜，并且很容易受到外界的電磁干擾。這就要求必須使用多重屏蔽的編碼器電纜和動力電纜，才能保證良好的通訊質(zhì)量。動力電纜與編碼器電纜分別獨立布線，由各自的插座引出電纜連接到驅(qū)動器。
• 與傳統(tǒng)不同，采用HIPERFACE DSL協(xié)議將編碼器的電源與通信耦合在一起（類似固定電線芯線進(jìn)行數(shù)字通信。由于采用了超強(qiáng)抗干擾的數(shù)字通信技術(shù)，這2芯線還可以被集成進(jìn)電機(jī)的動力電纜中，取代原先電機(jī)溫度傳感器的2芯。這樣一來，伺服電機(jī)不再需要額外的編碼器電纜。相應(yīng)的，電機(jī)上的編碼器插座和插頭也不再需要。
SIEMENS 最新發(fā)布的 SINAMICS S210 驅(qū)動器和 SIMOTICS-1FK2電機(jī)也采用了單電纜技術(shù)。但與前述三種開放（開源）單電纜方案不同的是，SIEMENS采用的是其獨有的傳動系統(tǒng)接口：DRIVE-CLiQ。
單電纜反饋技術(shù)在高集成度的伺服系統(tǒng)中起到了非常重要的作用。越來越多的證據(jù)表明該接口技術(shù)是電氣驅(qū)動技術(shù)的未來。只要關(guān)注到機(jī)器制造商和最終用戶，我們不難發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有越來越多的用戶開始在設(shè)備中使用單電纜反饋技術(shù)的伺服產(chǎn)品了，尤其是部件供應(yīng)商，正在迎合這一市場發(fā)展方向開發(fā)更多合適的產(chǎn)品。
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本文為劍指工控原創(chuàng)技術(shù)類文章，2020年7月17日首次發(fā)表于《劍指工控》公眾號。
主要從事系統(tǒng)集成，運動控制設(shè)備應(yīng)用二次開發(fā)。目前主要從事并聯(lián)六自由度平臺、振動臺、道路模擬試驗設(shè)備、疲勞或加載試驗設(shè)備等應(yīng)用開發(fā)。
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