提高自动化性能

自动化硬件避免不了被淘汰的命运。很难确切地知道什么时候需要进行改造或重新设计，但有些迹象是不能忽视的。出现以下情况说明是时候升级了：

◆系统的公差和产出不再满足市场需求；

◆由于较高的容差或高故障率，机器的生产能力受到影响。

伺服驱动技术对于新系统的运行有着重要的影响，它可以在无法进行人机交互的情况下提供运动驱动。必须仔细选择驱动技术，以确保自动化过程达到预期目的。选择正确的硬件将提高性能并降低成本。

美国运动控制器供应商Aerotech，正在其设计的下一代X系列伺服驱动器，他们开发了一项新技术，该技术可以在同一驱动器上运行多种电机类型（电刷，无刷，步进），只需更改参数。每个驱动器支持20个数字和4个模拟量I/O点，并且每个轴可使用多个编码器。

通讯故障

当网络出现故障或在工业场所发生故障时，肯定会发生停机和产能下降的情况。然而，伺服驱动通讯硬件可以减少潜在的连通性问题。

尽管在过去的20年中无线技术已经取得了长足的进步，但是硬线连接仍然是工业运动控制的首选，以太网连接是黄金标准。但是，这些铜缆也为噪声提供了路径。电磁干扰（EMI）始终会导致铜缆连接上的驱动器间通信出现问题，因为低电平电信号通信数据包可能会损坏。

图 1. 位置抖动显示了伺服振动和地板振动的情况（单位：µm）

接地和附加线路滤波器、电容器、金属屏蔽和电感器是通过最小化噪声峰值来消除电磁干扰的传统方法。在带有大型电机、放大器和I/O的运动控制环境中，有许多噪声源需要处理。这些额外的组件和电缆增加了材料成本、工程和人工成本，因为它们必须被设计到机器中并手动安装。某些噪声源仅在工厂车间内，直到调试机器后才发现。

光纤使用光而不是电来传输信号，使这种通信免受电磁干扰。这将通过缩短停机时间和减少运动误差来提高系统的可靠性。光纤总线提高了通信可靠性，并最大程度地减少了跟踪噪声问题的繁琐工作。

通过光纤连接，驱动器之间的距离可以延长，而不会增加沿电缆运行的电磁干扰敏感性。传输距离可以增加到数百米甚至更多，从而允许在整个机器或工厂车间内使用分布式面板，而无需将所有电动机电源和反馈电缆重新布线到集中位置。

图 2. X 系列线性伺服引起的抖动，10nm pk-pk

保持电机电缆走线更短，可以降低电缆成本。驱动器可以离移动的硬件更近，而离控制PC更远。随着控制通信可靠性的提高和接线电缆的布置更加简易，机器安装更加容易，停机时间也大幅减少。这建立在成熟的分布式I/O技术的基础上，并将其应用于电机和驱动器。

工具提示抖动，图像模糊

不受控制的有害运动会在任何过程中造成破坏。刀具的振动会引起波浪状刀纹，相机晃动也会产生模糊的图像，这会影响系统的输出。补偿此类运动的常见方法是降低速度和加速度。

这种不必要的运动的水平轴称为本底噪声（图1），它是系统中的环境干扰因素，在测量特征时，必须观察本底噪声，并了解它是如何影响测量和测量的精确度。在启用和未启用伺服器的情况下分析本底噪声，以获取自然振动与伺服引起的振动的图像。

图 3. ADC 降噪

运动系统中的抖动，地面振动和驱动器抖动都是造成本底噪声的原因。伺服回路可纠正定位误差，空气隔离系统可最大程度降低地面振动，电流回路控制可最大程度减少驱动引起的抖动。Aerotech的X系列驱动器可校正三个振动源中的两个。

为了降低本底噪声，需要增加电流环路分辨率。这样可以提供较小的电流步长，并提高了伺服环路速率，从而可以更早地检测和补偿振动。Aerotech最新的驱动器硬件同时实现了这两个功能，与较旧的驱动器技术相比，本底噪声降低了2-4倍。当部件在原位进行测量或触发操作时，这种原位稳定性是至关重要的。

由于新的伺服硬件的噪声降低了2-4倍，因此有可能摆脱昂贵的基于线性放大器的驱动硬件，而使用经济的脉宽调制（PWM）硬件。对于以前需要效率较低，成本较高且体积较大的线性放大器的应用，PWM放大器可以最大程度地减少机柜空间并降低整机成本。PWM驱动器产生的热量少于线性驱动器，并且可以在更高的额定功率下运行。

模拟噪声，数据速率瓶颈

大多数定位系统都需要反馈以准确地感测系统位置。控制系统使用此信息来生成一个错误信号。控制回路的确定基于该信号，以便它可以补偿此错误。增量编码器通常是数字或模拟的。数字化信号可以消除保真度，并获得真正的正弦曲线并将其变成阶梯。光学编码器仍然是模拟的，但是该信号在编码器电子设备或驱动器端都会被数字化。带有模拟反馈信号的驱动器最终会在内部将这些信号数字化。这些模拟信号上的插值越高，表示越接近纯正弦曲线。

模拟编码器信号具有其自身的本底噪声。滤波技术将这种噪声降至最低。模拟编码器的采样率越高，驱动电子设备就可以对该信号进行过采样和滤波以消除该噪声的次数就越多。图3显示了这种增加的采样率的结果。由于此噪声与位置抖动直接相关，因此与旧版驱动器相比，我们可以看到其提高了100倍。

更高的采样率的另一个好处是提高了速度。一个驱动器每秒只能读取这么多的计数，采样率越高，每秒的计数就越高。编码器制造商每年会根据驱动器的最大输入速率提出更精细的刻度。从40µm的栅距移至4µm的栅距会导致最大电位降低10倍。如果未同时升级驱动器以更快地读取这些标尺，则显示定位速度。X系列驱动器的编码器输入速率是其先前产品的4倍。

更高的性能始终是新设计的目标，因此将模拟编码器与X驱动器配合使用可创建具有强大控制组件的环境，以最小化可听噪音和最大限度的速度稳定性。

（本文所有图片均由Aerotech提供）

本文译自AerospaceManufacturingandDesign杂志

作者：MattDavis