如何在工業(yè)驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)精密的運(yùn)動(dòng)控制

乘坐電梯時(shí)，您肯定希望平穩(wěn)安全地從一層到達(dá)另一層。在電梯驅(qū)動(dòng)中，精密的運(yùn)動(dòng)控制使電梯能夠停在指定位置，并平穩(wěn)地減速直到完全停止。缺乏精密的運(yùn)動(dòng)控制可能會(huì)導(dǎo)致電梯誤停在兩層之間，這會(huì)讓乘坐電梯的人感到頭暈不適或不安全。

機(jī)器人、計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)器和工廠自動(dòng)化設(shè)備都需要通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精密的位置控制，此外在許多情況下還需要進(jìn)行精密的速度控制，以便正確地制造產(chǎn)品并維護(hù)工作流程。

工業(yè)驅(qū)動(dòng)器的諸多方面都對(duì)實(shí)現(xiàn)精密的運(yùn)動(dòng)控制很重要，精密運(yùn)動(dòng)控制涉及實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)中的三個(gè)基礎(chǔ)子系統(tǒng)，即感應(yīng)、處理和驅(qū)動(dòng)。本文將論述各個(gè)子系統(tǒng)的支持技術(shù)示例。

感應(yīng)

缺乏精密的位置和速度感應(yīng)，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)精密的運(yùn)動(dòng)控制。感應(yīng)可以包括電機(jī)軸角位置和速度感應(yīng)或傳送帶線性位置和速度感應(yīng)。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用增量式光學(xué)編碼器，每轉(zhuǎn)有幾百到一千個(gè)槽，以感應(yīng)位置和速度。這些編碼器通常通過(guò)正交編碼脈沖 (QEP) 連接到微控制器 (MCU)，因此需要 QEP 接口功能。

相比之下，絕對(duì)編碼器的精度明顯更高，其通常每轉(zhuǎn)具有更多的槽數(shù)，并且經(jīng)過(guò)精密安裝以提供絕對(duì)角位置。感應(yīng)到的位置被轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示形式，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行編碼。此類協(xié)議的示例有 Tamagawa 的 T-Format 和 iC-Haus GmbH 的雙向串行同步 (BiSS) C。此前，您還需要現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 來(lái)連接此類編碼器，但現(xiàn)在越來(lái)越多的 MCU 也具有此功能（如下圖 1 所示）。由于 T-Format 和 BiSS C 協(xié)議通常與大多數(shù) MCU 上常見(jiàn)的串行外設(shè)接口 (SPI)、通用異步接收器發(fā)送器 (UART) 或控制器局域網(wǎng) (CAN) 等流行通信端口或接口所支持的協(xié)議不同，因此它們通常需要可定制邏輯塊或?qū)Ｓ刑幚韱卧?/p>

圖 1：連接到德州儀器控制 MCU 的絕對(duì)編碼器

絕對(duì)編碼器也可以基于電磁或類旋轉(zhuǎn)變壓器電路，這需要精確測(cè)量正弦電信號(hào)。因此，精密運(yùn)算放大器和電壓基準(zhǔn)也很重要。電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制始終需要精確的電機(jī)電流和電壓檢測(cè)，尤其是在采用無(wú)傳感器控制時(shí)。常見(jiàn)的解決方案是使用隔離/非隔離式放大器和集成低側(cè)電流檢測(cè)的驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)聯(lián)和逆變器橋臂低側(cè)檢測(cè)。

處理

在精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制配置文件和算法需要具有高計(jì)算能力的 MCU。為了提供必要的精度和準(zhǔn)確度，此類 MCU 的字長(zhǎng)通常為 32 位，并具有原生 64 位浮點(diǎn)支持。由于算法嚴(yán)重依賴三角函數(shù)、對(duì)數(shù)和指數(shù)數(shù)學(xué)，因此許多 MCU 都具有硬件加速器。

考慮到受控運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量或控制環(huán)路的數(shù)量，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用多中央處理器 (CPU) 架構(gòu)或類 CPU 的并行加速器。如有額外的監(jiān)督和通信任務(wù)，也可以考慮采用多個(gè) CPU。

作為實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，整個(gè)信號(hào)鏈的總延遲（即從收集到電流、電壓、位置和速度測(cè)量結(jié)果到更新控制輸出的時(shí)間）會(huì)直接影響控制性能，進(jìn)而影響精度。一些 MCU 具有片上模擬比較器，可以直接生成控制動(dòng)作，顯著減少延遲和 CPU 負(fù)荷?？焖僦袛囗憫?yīng)以及現(xiàn)場(chǎng)保存和恢復(fù)也很重要。

僅僅擁有高處理能力是不夠的。運(yùn)動(dòng)控制 MCU 還必須具有通用控制外設(shè)，例如 12 位和 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、QEP 接口、高分辨率邊沿和脈沖捕獲以及脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出。另外，還要求具備實(shí)現(xiàn)自定義邏輯和時(shí)序的能力。

為了幫助設(shè)計(jì)人員更快上手和調(diào)整他們的設(shè)計(jì)，MCU 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商提供了電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制算法，包括無(wú)傳感器觀測(cè)器和軟件庫(kù)等核心算法以及具有 GUI 可配置性的完整控制代碼。

圖 2 是工業(yè)驅(qū)動(dòng)器控制 MCU 的概念圖。

圖 2：工業(yè)驅(qū)動(dòng)器的 MCU

驅(qū)動(dòng)

提供預(yù)期的控制動(dòng)作需要功率器件和驅(qū)動(dòng)器，通常采用 PWM 形式，占空比代表動(dòng)作。精確控制 PWM 脈沖非常重要，這意味著驅(qū)動(dòng)器必須以盡可能小的時(shí)序偏差提供必要的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度；功率器件必須在確切的預(yù)定時(shí)間打開(kāi)和關(guān)閉。如今，此類驅(qū)動(dòng)器隨處可見(jiàn)，并具有過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)等附加功能。新型寬帶隙功率器件可以確?？焖俸途_地進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉定時(shí)。寬帶隙器件的快速開(kāi)關(guān)速度和低開(kāi)關(guān)損耗還可實(shí)現(xiàn)快速控制環(huán)路，以提高穩(wěn)定性和性能。

除了精度之外，許多應(yīng)用還要求電機(jī)控制設(shè)計(jì)足夠緊湊，因此需要用到具有集成電流檢測(cè)和電源模塊的驅(qū)動(dòng)器。

結(jié)語(yǔ)

精密運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于工業(yè)驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。技術(shù)解決方案涉及實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)的所有三個(gè)基礎(chǔ)子系統(tǒng)，即感應(yīng)、處理和驅(qū)動(dòng)，旨在實(shí)現(xiàn)精密的運(yùn)動(dòng)控制。