• 周六. 5 月 25th, 2024

如何在工业驱动器中实现精密的运动控制

乘坐电梯时,您希望顺利、安全地从一层到达另一层。 在电梯驱动器中,复杂的运动控制使电梯能够停在指定位置并平稳减速直至完全停止。 缺乏细粒度的运动控制会导致电梯在楼层之间停止,这会使电梯乘客感到头晕、不舒服或不安全。

机器人、计算机数控机器和工厂自动化设备都需要精确的位置控制,在许多情况下,还需要通过伺服驱动器进行速度控制,以便正确制造产品并保持工作流程。

工业驱动的许多方面对于实现精确的运动控制都很重要,这涉及到实时控制设计、传感、处理和驱动三个基本子系统。 本文讨论了每个子系统的支持技术示例。

就职

没有精确的位置和速度感测,就无法实现复杂的运动控制。 感测可以包括电机轴角位置和速度感测或传送带线性位置和速度感测。 设计人员经常使用增量式光学编码器(每转有几百到一千个槽)来感测位置和速度。 这些编码器通常通过正交编码脉冲 (QEP) 连接到微控制器 (MCU),因此需要 QEP 接口功能。

相比之下,绝对编码器要准确得多,通常每转有更多的槽,并且经过精密安装以提供绝对角位置。 感测到的位置被转换为数字表示并根据标准协议进行编码。 此类协议的示例有 Tamagawa 的 T-Format 和 iC-Haus GmbH 的双向串行同步 (BiSS) C。以前,您还需要一个现场可编程门阵列 (FPGA) 来与此类编码器接口,但现在越来越多的 MCU 都具备此功能能力以及(如下面的图 1 所示)。 由于 T-Format 和 BiSS C 协议通常与流行的通信端口或接口兼容,例如串行外设接口 (SPI)、通用异步收发器 (UART) 或大多数 MCU 上常见的控制器局域网 (CAN),协议不同,因此它们通常需要可定制的逻辑块或专有处理单元。

微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制_工控运动控制_工控人家园

连接到德州仪器控制 MCU 的绝对编码器

绝对编码器也可以基于电磁或类解析器电路,这需要精确测量正弦电信号。 因此,精密运算放大器和电压基准也很重要。 电机和运动控制始终需要精确的电机电流和电压检测,尤其是在采用无传感器控制时。 一种常见的解决方案是使用具有集成低侧电流检测功能的隔离/非隔离放大器和驱动器进行在线和逆变器支路低侧检测。

处理

在精密运动控制系统中执行运动控制配置文件和算法需要具有高计算能力的 MCU。 为了提供必要的精度和准确度,此类 MCU 通常具有 32 位的字长并具有本机 64 位浮点支持。 由于算法严重依赖三角函数、对数和指数数学,因此许多 MCU 都具有硬件加速器。

考虑到要控制的运动轴数量或控制回路数量,设计人员通常采用多个中央处理器 (CPU) 架构或类似 CPU 的并行加速器。 也可以考虑使用多个 CPU 来执行额外的监控和通信任务。

作为实时控制应用,整个信号链的总延迟(即从收集电流、电压、位置和速度测量值到更新控制输出的时间)直接影响控制性能,从而影响精度。 一些 MCU 具有片上模拟比较器,可以直接生成控制动作,显着减少延迟和 CPU 负载。 快速中断响应和上下文保存和恢复也很重要。

仅仅拥有高处理能力是不够的。 运动控制 MCU 还必须具有通用控制外设,例如 12 位和 16 位模数转换器、QEP 接口、高分辨率边沿和脉冲捕获以及脉宽调制 (PWM) 输出。 此外,还需要能够实现自定义逻辑和时序。

为了帮助设计人员更快地着手和调整他们的设计,MCU 和电机驱动器供应商提供电机和运动控制算法,包括无传感器观察器和软件库等核心算法,以及具有 GUI 可配置性的完整控制代码。

工控运动控制_微型四旋翼飞行器总体设计及其运动控制_工控人家园

用于工业驱动的 MCU

驾驶

提供所需的控制动作需要功率器件和驱动器,通常采用 PWM 形式,占空比代表动作。 精确控制 PWM 脉冲很重要,这意味着驱动器必须提供必要的驱动强度,并尽可能减少时序偏差; 电源设备必须在准确的预定时间打开和关闭。 此类驱动器如今无处不在,并具有过流和过热保护等附加功能。 新的宽带隙功率器件确保快速和精确的开启和关闭定时。 宽带隙器件的快速开关速度和低开关损耗还支持快速控制环路,以提高稳定性和性能。

除了精度之外,许多应用还要求电机控制设计足够紧凑,从而需要带有集成电流感应和电源模块的驱动器。

结语

精密运动控制对于工业驱动至关重要。 技术解决方案涉及实时控制设计、传感、处理和驱动这三个基本子系统,以实现精确的运动控制。