直线电机伺服系统在制造装备上的控制应用

直线电机伺服系统在制造装备上的控制应用

江斌

华为机器有限公司 广东东莞 523000

[摘  要]近些年，国产高端装备市场份额逐年上升。在国产装备同级别替代进口装备的行业中，系统性能稳定性竞争日益激烈，直线电机及其驱动系统无疑是高端制造装备的核心器件，在精密贴装，高精度检测，精密测量装备系统中，直线电机伺服系统以其低功耗、高速、高动态响应等优良的系统性能在各种精密装备上应用广泛。本文主要围绕制造装备直线电机伺服系统控制应用开展深入的研究和探讨。

关键词：伺服系统、直线电机、制造装备、控制应用

伴随制造业持续高速发展，各种高端制造装备控制系统控制面临着更高的挑战。在系统速度与加速度毫秒必争的领域，直线电机伺服系统中的运动控制系统及其系统硬件的设计，对其系统性能整体提升起到至关作用。ELMO是一款可以适配任意运动、任意控制的驱动器，搭载雅科贝思直线电机系统和雷尼绍光栅尺作为执行机构和位置反馈系统，即形成了一整套直线电机伺服系统的硬件架构。

ELMO的龙门算法是基于MIMO结构，即多输入多输出结构，处理X1/X2/Y轴的输入， 图示如下：

1. Y center = Y   -  Y方向当前位置

2. X center = (X1+X2)/2 – 龙门双驱X方向中心点位置

3. θ = (X1-X2) – 龙门双驱X方向两个轴的同步位置偏差

1、直线电机与驱动选型应用

直线电机相比于旋转伺服电机、无丝杆或者减速机、传动齿轮的能耗损失，在选型阶段，我们通常关注直线电机的峰值推力、持续推力、峰值电流、持续电流、配套驱动器选型，需要知道直线电机的力常数，出力电机数量、电机相数、磁极距、负载重量、速度指标、加速度指标、电机峰值推力和持续推力、电机峰值电流、反电动势常数，持续电流等指标，从而进行计算驱动器的母线电压、峰值功率和持续功率。

2、直线电机伺服系统控制应用

2.1 直线电机伺服系统

2.1.1 直线电机伺服系统构建及配线

本项目中采用ELMO驱动器作为龙门结构的驱动系统，龙门控制算法采用主从式控制方式，设计两个同型号驱动器驱动两个同型号直线电机，主从轴直线电机全部配置配光栅尺、模拟量编码器[1]。龙门双驱需要使用交叉线来进行主从轴数据交换，交叉线只需要将INDEX+/-、COMRET线各自对应接在一起就可以。龙门结构系统采用双Index回零控制。

2.1.2在位置环层面

伺服电机三环控制系统当中，位置环有着比例、微分、积分控制方式。位置环直接将直线机构末端的位置反馈给了系统控制器PMAC,形成全闭环控制。龙门的控制驱动系统采用EtherCAT总线控制方式，所有命令和问题诊断都是使用EtherCAT总线完成。最终的目标位置都是发给主轴，反馈位置也是从主轴读取。主轴工作在位置环模式，从轴工作在电流环模式。主从轴上使能顺序是先从轴上使能、再主轴使能。龙门结构的X轴在驱动器层配置位置比较输出功能(Output Compare)，用来触发相机作为相机飞拍触发的输入条件。

2.2龙门系统参数整定及调试

龙门双驱的三环参数整定使用选定ELMO Application Studio调试软件，使用USB线来分别连接主从轴驱动器，对直线电机龙门伺服系统控制应用期间，实施PID参数调试，即比例，积分、微分参数调调试。下面将以主轴调试进行说明，连接主轴驱动器以后进入Expert Tuning页面，执行Reset操作，将驱动器参数恢复出厂值，避免原有参数影响。1、点击菜单栏Floating Tools/Terminal，在命令行里面设置合适的电流环采样时间TS，一般这个值要大于60，高压、大电流驱动器缺省TS=100, 低压、小电流驱动器缺省TS=50，TS要根据项目实际情况进行调整，TS大会有电流环噪声，TS小会导致发热严重，这里设置TS=60。2、轴配置选取Gantry/Master/Rotary Motor&Load，电机选取直线电机，电机参数配置：电机类型、峰值电流、持续堵转电流、最高转速根据电机手册资料相关参数进行配置。3、编码器配置：编码器分辨率/FIR滤波/Hall元件根据编码器的相关参数进行配置。4、用户单位配置采用系统默认参数。5、电流限制：设置US[4]=0, US[1]=50,其它参数采用系统默认。6、IO配置里面主要配置软急停，用于急停控制驱动器使用。7、电流环整定：系统识别，分别勾选A/B/C三相进行系统辨识；然后进行幅频特性调节，设置目标带宽和相位裕度。8、电子换相：换相方式、换相电流、换相位移、换相速度参数调节；选取电机旋转方向，在主轴做完电流环整定和电子换相步骤以后要保存参数，点击工具栏Drive Save保存参数。

从轴整定：连接从轴驱动器以后进入Expert Tuning页面，执行Reset操作，将驱动器参数恢复出厂值，避免原有参数影响。因为从轴工作在电流模式，所以只需要整定驱动器电流环和电子换相就可以，并且设置从轴工作模式为电流环。从轴也需要设置TS时间，这里也设置TS=60。1、轴配置：Gantry/Slave/直线电机；电机配置、编码器配置保持与主轴一样。其它参数页面如Display User Units/Current Limits/Protections/Inputs and Outputs都和主轴设置成一样，采用系统默认参数即可。2、电流环参数复制，因为主轴和从轴采用同型号的驱动器和电机，所以从轴电流环不需要重新整定，只要把主轴电流环参数直接输入到从轴相应页面Apply即可。3、电子换相：龙门双驱需要两个电机定义的正方向一直，推动龙门架的时候两个驱动器位置反馈变化趋势一样，也就是同正向，同负向，从轴要重新做电子换相确保电机正向一致。从轴电子换相完成以后就保存参数，点击工具栏Drive Save。4、验证两个电机方向是否一致，进入主轴Feedback Setting页面，点击右下角双箭头，打开Advanced页面。移动龙门架，看看主从轴位置反馈方向是否一致。如果位置变化趋势一样则说明两个电机的运行方向一致。Feedback Setting/Advanced：推动龙门架，观察主轴位置和从轴位置变化趋势是否一致，Socket 1是从轴位置。

中心点及同步位置偏差整定：首先设置从轴为电流模式，上使能，在从轴上使能以后，进入主轴Expert Tuning/Gantry Yaw/Identification点选右上角的Reset Master and Slave Position, 之后将龙门架放在整个行程中间位置，点击Identify开始系统识别。

调试效果验证，在初调龙门以后，需要根据项目要求进行运动测试，做波形采样，要想进行龙门双驱的运动测试，从轴需要先上使能。之后所有操作都是针对主轴进行 [2] 。

3、结语

综上所述，在精密制造装备当中，为实现直线电机伺服系统精密运动控制，就务必要进行直线电机伺服系统三环控制系统构建分析及PID参数调试，确保直线电机伺服系统可达到更高精度的控制应用，便于更精准的控制精密装备。减少系统误差，提高制造装备整体性能。

参考文献：

[1]梁远君, 梁洛铭. PLC控制系统在智能制造领域中的应用研究[J]. 科技创新与应用, 2021, 11(23):74-76.

[2]张超宁. 直线电机伺服系统伺服动刚度分析及测试技术研究[D].哈尔滨工业大学,2015.