以下文章來源于控制工程中文版 ，作者宋寧一

現(xiàn)如今，直驅(qū)技術(shù)在半導(dǎo)體設(shè)備、3C電子、CNC機(jī)床等，對運(yùn)動控制精度和穩(wěn)定性要求較高的行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，為應(yīng)對客戶提高產(chǎn)能、縮短交期等的嚴(yán)苛需求，直線驅(qū)動器也面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

在智能制造時代，直線電機(jī)和直線驅(qū)動器應(yīng)該要具備哪些特性？為應(yīng)對更復(fù)雜的控制應(yīng)用場景需求，如何提升直線驅(qū)動器的應(yīng)用價值？高創(chuàng)傳動直驅(qū)產(chǎn)品經(jīng)理宋寧一在2022（第十一屆）全球自動化和制造主題峰會上給出答案。

直驅(qū)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中，被國外工業(yè)界稱之為現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)中的先進(jìn)方法和技術(shù)。作為直驅(qū)技術(shù)最主要和關(guān)鍵的部分即為直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)（DDR）和直驅(qū)式直線電機(jī)（DDL），它不是簡單的將旋轉(zhuǎn)電機(jī)或直線電機(jī)搬到系統(tǒng)中去，而是要將這兩種電機(jī)根據(jù)不同的系統(tǒng)和工況進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

隨著用戶對直線電機(jī)的需求與日俱增，直驅(qū)產(chǎn)品的每年增長率大概在6%左右。相較于傳統(tǒng)的伺服電機(jī)驅(qū)動，直驅(qū)運(yùn)動有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

首先是運(yùn)動速度快，同時具備很小的摩擦力和優(yōu)越的系統(tǒng)剛性。此外，結(jié)構(gòu)簡單，避免為了提高精度而使用第二編碼器的同時，兼顧維護(hù)性好、可長時間穩(wěn)定運(yùn)行、精度更高等優(yōu)勢。

但是相對于傳統(tǒng)的伺服電機(jī)，它的制造成本會較高。同時由于直線導(dǎo)軌摩擦力小，就需要有更好的控制算法進(jìn)行控制。為了提高系統(tǒng)的剛性，還需要高增益及抑制震動，整定時間要求相對也高。同時，為了實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率，需要相應(yīng)的編碼器提供支持。

▲直驅(qū)的應(yīng)用場景

直驅(qū)技術(shù)廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體設(shè)備、跟視覺搭配的檢測設(shè)備、焊線機(jī)、平板顯示和3C，這類對精度和效率要求很高的行業(yè)。當(dāng)然，為了提高機(jī)臺的運(yùn)行速度和精度，現(xiàn)在在CNC機(jī)床也開始應(yīng)用直驅(qū)產(chǎn)品。除此之外，還有光伏、鋰電、高速搬運(yùn)等領(lǐng)域，直線電機(jī)也成為了許多用戶的首選。

01. 直線電機(jī)的控制難題

直線電機(jī)對于控制的要求較高，首先要求高速、整定時間短，特別是在如焊線機(jī)等取放應(yīng)用中，運(yùn)動過程控制一定要穩(wěn)定、速度波動小。在激光或檢測領(lǐng)域，同時對于定位精度的要求也非常高，還有一些特殊的應(yīng)用，要支持位置比較輸出功能等。

在特殊的應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，例如龍門就需要驅(qū)動器提供更好的支持，這需要產(chǎn)品開發(fā)出特別算法來做支持。為此，非線性運(yùn)動控制或基于頻域線性分析，成為了直驅(qū)控制方式的最佳選擇。

傳統(tǒng)的手段是三環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。這種控制方式有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，比如它的PI、PID有固定的誤差，如果增加前饋會增加它的超調(diào)和整定時間。而采用HD（非線性控制）方式就可以克服這一困難，能把速度環(huán)跟位置環(huán)合二為一，最大程度提高系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬。

同時，憑借自適應(yīng)的增益矩陣，可以根據(jù)位置、速度誤差進(jìn)行自適應(yīng)，為企業(yè)提供最佳的控制方式、最小的整定時間，并達(dá)到最佳的控制效果。值得一提的是，高創(chuàng)傳動的CDHD系列產(chǎn)品可以同時支持線性控制及非線性控制。

此外，共振抑制是控制的常見難題。如果沒有開啟共振抑制，會讓機(jī)臺末端一直抖動，沒法很好地控制誤差。為此，高創(chuàng)傳動專門開發(fā)了可以立即觸發(fā)共振抑制的功能，用主動阻尼的方式實(shí)現(xiàn)了共振的消除，并針對震動設(shè)置了多達(dá)三組的共振抑制點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果。

▲未開啟（上圖）和開啟共振抑制對比

針對各種復(fù)雜控制應(yīng)用場景的要求，我們提出了用頻率分析的方式，對系統(tǒng)進(jìn)行掃頻分析，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。我們采用了多項(xiàng)式的線性控制算法，分別設(shè)置它的零極點(diǎn)，根據(jù)頻率的模型進(jìn)行自動調(diào)試設(shè)計(jì)。

一般可分成幾個步驟：第一步掃頻，用信號注入白噪聲，對系統(tǒng)進(jìn)行頻率分析，通過設(shè)置不同的頻率范圍，涵蓋整個機(jī)臺響應(yīng)的頻率點(diǎn)，且需要考慮克服摩擦力的影響，以得到更精準(zhǔn)、更可靠的頻率分析圖。

采樣得到頻率分析圖后，我們就可以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)共振點(diǎn)設(shè)計(jì)零極點(diǎn)的數(shù)目，并找到合適的模型匹配，在模型中就可以看到零點(diǎn)、極點(diǎn)以及頻率和幅值的帶寬。

根據(jù)生成的圖形，高創(chuàng)傳動為提升客戶使用體驗(yàn)感，會采用自動生成控制參數(shù)的方式，自動匹配對應(yīng)的濾波器，同時，也可以根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)特性和實(shí)際效果進(jìn)行微調(diào)，以最大程度地提高機(jī)臺性能，簡化客戶的使用體驗(yàn)。

02. 直線驅(qū)動器的應(yīng)用實(shí)例 

眾所周知，龍門控制是一個比較有挑戰(zhàn)的應(yīng)用場景。如今隨著機(jī)臺越做越大、要求越來越高，龍門成為了提高系統(tǒng)機(jī)臺速度、加速度以及負(fù)載能力的常見方案，它的控制也是一大難題。

首先，龍門要求兩個軸能在高速運(yùn)行過程中中互不干擾。高創(chuàng)傳動提出用交叉解耦的控制方式，實(shí)現(xiàn)兩個軸的完美同步，并減少30%工作中的消耗電流，同時支持柔性及剛性龍門，而驅(qū)動器間則采用10Mb/s的龍門通信線進(jìn)行信息傳輸。

位置誤差補(bǔ)償是提高系統(tǒng)精度的法寶。高創(chuàng)傳動的驅(qū)動器可以內(nèi)建位置誤差補(bǔ)償，支持1000個補(bǔ)償點(diǎn)，同時支持直線和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。為了更好的客戶體驗(yàn)，激光干涉儀產(chǎn)生的文件也可以不需要做任何修改，一鍵導(dǎo)入到驅(qū)動器中，最大程度方便客戶的使用。采用了誤差補(bǔ)償之后，也可以極大提高系統(tǒng)的絕對精度。同時，控制器也可支持三維空間的位置誤差補(bǔ)償。

03. 直線驅(qū)動器的未來發(fā)展趨勢

未來，隨著用戶對控制的要求越來越高，運(yùn)動控制的挑戰(zhàn)也越來越大。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得機(jī)械制造的成本逐漸降低，產(chǎn)能提高、交付縮短、開發(fā)周期變短，讓企業(yè)更迫切地需要更高的精度和更少的維護(hù)。

同時，廠商也更傾向于使用更好的設(shè)備、更好的控制條件來滿足自身需求。這也勢必會讓機(jī)器向輕型化發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)也將更加柔性靈活，這也將加大對驅(qū)動器和控制器的要求。不僅如此，機(jī)械設(shè)備種類變化快、規(guī)模大，也要求驅(qū)動器、控制器需要自動調(diào)試，不斷提高應(yīng)用性。

以直線電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用為例，直線電機(jī)的加入，可以更好地提高傳統(tǒng)機(jī)器人的響應(yīng)速度。此外，傳統(tǒng)的Delta機(jī)器人都是伺服來帶的，當(dāng)加上直線電機(jī)驅(qū)動后，也可以大幅提高這類機(jī)器人的精度和速度。

不僅如此，LMS系統(tǒng)也是目前行業(yè)內(nèi)的熱門領(lǐng)域，可以替代傳統(tǒng)的傳輸帶。其電機(jī)形式也比較新穎，采用定子運(yùn)動、線圈固定的方式，而線圈會根據(jù)定子進(jìn)行驅(qū)動，控制上就要求控制器、驅(qū)動器以及編碼器的一體性，對實(shí)時性和穩(wěn)定性的要求更高。為此，更強(qiáng)大的驅(qū)動器和控制器已成為企業(yè)的剛需。

未來在易用性方面，我們需要自動調(diào)試、一鍵自整定，實(shí)現(xiàn)調(diào)試參數(shù)的最優(yōu)化；在穩(wěn)定性層面，驅(qū)動器產(chǎn)品要更加穩(wěn)定可靠，特別是解決干擾和通信的問題；此外，對于第三方的支持也一定要廣泛，特別是連接傳感器、視覺等第三方核心工藝器件，都要讓客戶可以簡單地連接使用。

在控制層面，我們需要集成更高階、更豐富的算法，來實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用、各種領(lǐng)域的更好設(shè)置和最佳性能。為應(yīng)對許多用戶對即插即用的需求，簡單的接口和良好的用戶界面是一大法寶。同時，我們的機(jī)臺系統(tǒng)驅(qū)動器、控制器要可以像子系統(tǒng)一樣，嵌入到客戶的機(jī)臺中，逐漸縮小尺寸，簡化布線。

▲更強(qiáng)大的運(yùn)動控制器

隨著未來工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)4.0時代的驅(qū)動器、控制器要更加智能化，且要擁有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理和云端的能力。對于高端應(yīng)用，解決方案要聚焦在提高穩(wěn)定性能和適應(yīng)能力，在低端應(yīng)用場合，則需要更注重易用性、即插即用和簡單直觀的用戶界面。