运动控制

传动刚性对运动控制系统的影响

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无论对于体育运动还是设备运控,“核心力量”都是至关重要的,本期我们就来严肃的浅析一下,作为运控系统的“腰”--传动链的刚度特性对运控系统会产生什么样的影响。

机械传动的刚性,其实说的是运动作用力从动力源输出到负载受力响应的速度,这个响应速度越快,就是刚性越好,反之刚性如果较差,就说明动力源与负载之间的力(或力矩)的传递有延时和迟滞的效应,负载不能及时获得运动所需要的动力。

传动链在力传导上的延时和迟滞,通常表现为两种形式,回程间隙和弹性特质。在实际应用中,它们往往是同时并存的,但在分析和调整时,我们往往是分开处置的。

先说回程间隙。

回程间隙指的是,传动系统的驱动侧与被驱动侧的联接有“间隙”,两侧在运动和运行过程中会在这个“间隙”内产生相对位移。

比较典型的回程间隙,就是在齿轮传动时所说的齿隙(或背隙)。

以太网正成为工业应用中日益重要的网络就运动控制而言,以太网、现场总线以及其他技术(如外围组件互连)历来都是相互竞争的,用以在工业自动化和控制系统中获得对一些最苛刻要求的工作负载的处理权限。运动控制应用要求确定性(保证网络能够及时将工作负载传送至预定的节点),这是确保位置保持所必需的,这进而又将确保驱动器的精确停止、适当的加速/减速以及其他任务。

标准的IEEE 802.3以太网从未达到这方面的要求。即使全双工交换和隔离冲突域淘汰了过时的CSMA/CD数据链路层,但它还是缺乏可预测性。此外,典型堆栈中的TCP/IP的高度复杂性并未针对实时流量的可靠传送进行优化。因此,现场总线以及带有基于ASIC的PCI卡的PC控制架构一直是常见的运动控制解决方案。

从EtherNet/IP®到EtherCAT®的以太网解决方案以其独特的方式克服了这些缺点。尽管工业以太网相较于别的替代技术还有一些其它优势,然而它在运动控制中还远没有占到主导地位。我们来看看它能够并且将会在未来几年的竞争中越来越被接受的三个原因。

1. 融合而不是增加复杂性

随着时间的推移,企业IT与工厂之间的互联不断增加,导致了系统更复杂,往往将标准以太网和工业以太网与现场总线混合使用。例如,机器可能会利用:

* 适用于与伺服器进行通信的SERCOS1
* 适用于联网变频驱动器的PROFIBUS®
* 适用于故障安全现场总线通信的SafetyBUS p
* 适用于连接至传感器的DeviceNet
* 适用于向最终用户发送数据、通过网关访问的以太网

这样的网络很复杂,而且它的建立和维护也很昂贵。每个协议都需要各自的实施程序、安装人员和培训。相比之下,以太网提供了将适用于运动、安全等的不同网络融合到经济高效的基础架构上的可能性,该架构布线更容易,获得供应商的广泛支持,并能适应未来要求。

以太网提供了不同网络融合的可能性

EtherNet/IP协议体现了如何在实践中充分发挥融合的作用。通过使用TCP/IP和UDP/IP等标准以太网技术、辅以CIP Sync(用于实现分布式时钟IEEE 1588精确时间协议同步)等特性,集成的交换式系统可以同时适应商业和工业应用。

2. 确定性适用于运动控制应用

运动控制依赖于精确通信。这种精确性通过使用基于时隙的调度来支持,每个设备在调度策略中都有一个与其它设备进行通信的调度表。这些伺服驱动器和控制器计算出它们各自的时序,由此可计算出控制函数的∆T值。但是,如果数据传输变得无法预测,则可能会丢失结果,因此需要确定性来确保环路的稳定性。

以太网能够支持工厂中苛刻的运动控制应用在某些情况下,通过直接集成于英特尔®芯片内的加速器电路在EtherNet/IP中实施IEEE 1588,只是以太网解决方案用于强制确定性的一种常见机制。EtherCAT的高速实时处理是运动控制应用中如何实现始终如一的预测性能的另一个示例。EtherCAT突破了基于PCI的集中式通信的严格物理限制,即要求机器处理单元和伺服处理器之间可快速通信但需要保持短距离。

Jason Goerges在发表于2010年Machine Design的一篇文章中解释道:“基于EtherCAT的分布式处理器架构具备宽带宽、同步性和物理灵活性,可与集中式控制的功能相媲美并兼具分布式网络的优势”。

“事实上,一些采用这种方式的处理器可以控制多达64个高度协调的轴(包括位置、速度和电流环以及换向),采样速率和更新速率为20 kHz。”

3. 面向IIoT的长期可行性

以太网自作为一种局域网技术问世以来,已经过一系列发展。鉴于传统现场总线组件目前的制造规模较小,而PCI正面临逐渐成为过时的工业标准架构的风险,以太网经过不断发展,现已完全有能力为以IP为核心的工业物联网提供服务。

即将到来的改进(如时间敏感型网络将完善IEEE 1588并支持网络融合的可能性)也使以太网成为当前和未来运动控制的理想选择。这并不是说现场总线和PCI将会消亡,只是随着自动化行业迈向IIoT,以太网的优势将持续提升。

参考文献

1、Paul Brooks.“EtherNet/IP应用于运动控制”Industrial IP Advantage,2015年10月
2 “通过标准以太网成功实现运动控制”Industrial Ethernet Book,第48卷第71期
3、Jason Goerges.“EtherCAT实现高性能运动控制”Machine Design,2010年11月。

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电机广泛应用于工农业生产之中,对于我们的日常生活有着重要的作用。那么,对于运动控制市场或者驱动电机市场而言,未来的市场规模以及趋势又如何?

电机控制驱动系统

电机驱动控制系统(包括驱动电机和电机控制器)是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构,控制和驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。

一般来讲,电机控制器的主要由如下几部分组成:

1、电子控制模块(ElectronicController)包括硬件电路和相应的控制软件。硬件电路主要包括微处理器及其最小系统、对电机电流,电压,转速,温度等状态的监测电路、各种硬件保护电路,以及与整车控制器、电池管理系统等外部控制单元数据交互的通信电路。控制软件根据不同类型电机的特点实现相应的控制算法。

2、驱动器(Driver)将微控制器对电机的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号,并实现功率信号和控制信号的隔离。

3、功率变换模块(PowerConverter )对电机电流进行控制。电动汽车经常使用的功率器件有大功率晶体管、门极可关断晶闸管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管以及智能功率模块等。

ADI电机控制完整解决方案

图表1 ADI电机控制完整解决方案

市场规模

根据MarketsandMarkets最新发布的市场研究报告,2022年全球运动控制市场(包括零配件:交流电机、电机、运动控制器、交流驱动器、电子驱动器;应用:包装、材料处理、金属加工、转换、定位)预计将达到228.4亿美元,在2016年和2022年期间以5.5%的年复合增长率增长。

驱动市场增长的因素包括工厂自动化的普及、对工业安全生产率的追求、生产过程中对工业机器人需求的增加以及运动控制系统中对部件易用性和集成的要求。

交流电机被用于需要高精度定位装置的运动控制应用,例如现代机器人、氨和空气压缩机、电动发电机组、连续轧机,以及纸和水泥行业。交流电机的工作电压高于直流电机。交流电机没有换向器所以磨损低,从而提高使用寿命。

由于未来几年新能源汽车市场将持续走好,该领域市场潜力将会逐渐释放,电机控制器市场规模也将逐渐提升。目前客车电机控制器价格一般为3~5万元,乘用车电机控制器价格一般为0.6~1.5万元。通过测算,一览众咨询预计到2020年,国内新能源汽车电机控制器的市场规模将超过150亿元。(详细测算依据见一览众咨询出版的《2016-2020年中国新能源汽车电机及控制器市场投资报告》)。

未来趋势

综合技术和市场趋势分析,未来,车用驱动电机系统的三个技术发展方向是永磁化、数字化和集成化。

1、永磁化指永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、便于维护的优点。目前电机永磁化趋势正凸显,一览众咨询数据显示,永磁同步电机在我国新能源汽车中的使用占比已超过 90%。

2、数字化包括驱动控制的数字化、驱动到数控系统接口的数字化和测量单元数字化。用软件最大程度地代替硬件,具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。

3、集成化主要体现在两个方面:1)电机方面:电机与发动机总成、电机与变速箱总成的集成化;2)控制器方面:电力电子总成(功率器件、驱动、控制、传感器、电源等)的集成化。未来把电机、减速机、控制器一体化,是一种趋势,不仅减小了体积,更使得产品更加标准化。

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