SynqNet运动控制总线和直接驱动技术在数控系统中的应用
发布时间：2007-06-29 作者：陈志彤、邢高田，Danaher Motion China
直接驱动技术
数控系统对精度和快速性的要求
现代数控系统(如数控机床和数控加工中心等等)向着高速、高精度方向发展，如为了缩短辅助操作时间、提高生产率，伺服轴的移动速度要求超过120 m/min；正在研制的超高精度镜面铣削加工中心，要求位置分辨率为1纳米；数控磨齿机的分度精度要求小于0.1角秒；惯导测试设备要求位置分辨率小于0.001角秒等等。这样高的精度，常规的旋转伺服电机+机械执行机构(减速箱或滚珠丝杆付等)的传动技术不可能达到。因为机械执行机构和联轴器的误差、间隙和柔性，使伺服轴产生成带状分布的运动误差和失动，而不是一个恒值，严重影响伺服轴的运动精度和系统快速性。
BM 系列
■ 定子内径0.4”(10mm) 到63”(1600mm)
■ 连续输出转矩45000Nm
■ 典型速度18krpm，最高可达80krpm
BM 系列
■ 定子内径0.4”(10mm) 到63”(1600mm)
■ 连续输出转矩45000Nm
■ 典型速度18krpm，最高可达80krpm
在数控技术上提高伺服轴运动精度的常规做法有两种：半闭环控制（位置反馈取至伺服电机轴端）加存储式补偿（间隙补偿和螺距误差补偿）和全闭环控制（位置反馈取至伺服机械执行机构末端）。
半闭环控制加存储式补偿只能补偿带状分布误差带中的恒定部分，即丝杠螺距误差和传动间隙（故称这种补偿为螺距误差补偿和间隙补偿），不能满足高精度数控系统的精度要求。
全闭环控制将伺服机构置于闭环控制之中，使由它们产生的误差得到闭环补偿。但要取得好的控制效果，要求高的位置环增益；而伺服机构、联轴器的误差、间隙和柔性，使得系统难以得到很高的位置环增益，补偿效果仍不理想，不能满足超高速、超高精度数控系统的精度和快速性要求。
只有去掉机械传输等伺服执行机构，伺服电机直接耦合或融入到负载上，即直接驱动技术，才能消除间隙、柔性和其它与机械传送相关的问题，以满足超高精度的数控系统对精度和快速性的要求。
直接驱动技术
直接驱动技术有旋转运动和直线运动两种基本方式。
直接驱动旋转轴(A、B、C轴)的伺服电机称为直接驱动旋转(DDR)电机，通常要求低转速、大转矩、转角高分辨率。DDR电机与负载的连接有两种方式（无需联轴器）：一种是带有中空轴的有框架DDR电机，负载轴直接插入电机的中空轴；另一种是无框架（分装式）DDR电机，定子安装在负载的框架上，转子直接安装在负载轴上，将电机转子成为负载的一部分，可以为用户提供十分紧凑的机械设计解决方案。
Danaher Motion公司的有框架GOLDLINE®DDR电机，有低压（115/230Vac）D系列和高压（400/480Vac）DH系列两种电压规格，4种框架尺寸，3种铁心长度，共12种型号。配置Cross-Roller精密轴承；中空轴，法兰安装，端面直径从6.93”－14.25”；连续转矩从5.3－339 Nm，峰值转矩从16.9－1340 Nm；最高转速可达800 rpm(DH06）；配备正余弦编码器的位置分辨率可达21位（2,097,152 counts/r），重复精度±0.62角秒。
CARTRIDGE DDR™ 电机
运输时电机转子通过夹具固定在定子框架内
Danaher Motion公司的无框架DDR电机，有F/FH系列、RBE系列、BM系列等，有多种定子内径尺寸和转子长度，F/FH系列适合低速、小直径、大转矩的应用，RBE适合高速、小直径、小转矩的用途，BM系列是专为高速、大直径、大转矩用途而设计的电机。BM系列速度通常18000rpm，特殊设计可达80000rpm，直径最大可达1600mm，连续输出转矩高达45000Nm；RBE系列定子内径尺寸从21.3 mm到239 mm；F/FH系列连续转矩可达369 Nm，定子绕组特性与有框架GOLDLINE®DDR电机相同；用Danaher Motion公司的ServoStar S600驱动器驱动，位置分辨率可达28位（268,435,456 counts/r），位置重复精度可达±0.00048角秒，用户可以选配高分辨率的正余弦编码器以提高系统精度和带宽。
Danaher Motion公司创新设计的C/CH系列模块化有框架CARTRIDGE DDR®电机，率先将无框架DDR技术的节省空间与性能优势和有框架电机的便捷安装融为一体。电机内没有轴承,利用负载轴的轴承支撑电机转子，类似无框架DDR电机；定子框架通过法兰和止口与负载连接，类似有框架DDR电机。转子与负载通过一种新颖的压缩连接结构与负载轴紧密地连接到一起，使电机转子和负载成为整体，消除了电机与负载之间的间隙和柔性，连接刚性极大地提高，不再需要像传统电机那样要求惯量匹配，通常允许有250:1的惯量失配，最高可达800:1，使得系统可以获得较高的增益而不会振荡，系统带宽极大地提高；因电机内没有精密轴承而降低了成本，具有比有框架GOLDLINE®DDR电机具有更高的性价比；与F/FH系列无框架DDR电机相比，无需考虑电机结构设计，简化了机械设计和安装；CARTRIDGE®DDR 电机可以在任何方向上安装，可以水平安装或竖直安装，但用户需要选择相应的转子负载轴承；电机绕组设计有低压C（115/230Vac）系列和高压CH（400/480Vac）系列；连续转矩从50到504 Nm, 峰值转矩从120到1016 Nm；最大转速可达1200 rpm。
有框架GOLDLINE® DDR 电机
直接驱动数控系统直线轴（X、Y、Z轴）的伺服电机称为直接驱动直线（DDL）电机，直线电机主要由以下几部分组成：线圈总成（通常是动子），永磁体总成（通常是静子）和直线编码器以及直线导轨、轴承等框架设计的机械结构等。直线电机的特点是：负载与电机动子紧密地结合在一体，系统高刚度、高动态性能，工作平稳，定位精度高，调速范围宽，调整简单：只需要调整无框架直线电机线圈与磁体之间的气隙。
IL 无铁心系列
IC 有铁心系列
Danaher Motion公司的PLATINUM®DDL电机有3个系列：IL无铁心，IC有铁心系列和ICD小型有铁心系列。
IL无铁心系列：峰值推力为60 ～1600 N，连续推力为21 ～450 N。特点是：零齿槽效应，无电磁吸力，运动平稳，可以以1 微米/秒的最低速度运行，小质量的线圈总成，能产生高加速度。
IC有铁心系列：峰值推力190 ～15625 N，连续推力73 ～12023 N。特点是：防齿槽效应专利技术，能在无磁体偏置条件下降低齿槽效应；高电机常数（Km）；高推力密度。
ICD小型有铁心系列：峰值推力170 ～1130 N，持续推力57 ～315 N。特点是：尺寸极小；电磁吸力小；适用于替换某些无铁芯电机的应用。
直接驱动技术的特点
由此可以总结出DDR和DDL直接驱动的特点：
■低转速/大转矩：由于直接驱动没有中间机械传动环节（齿轮箱、丝杠/螺母，齿轮/齿条，齿轮/齿形带，皮带/皮带轮，联轴器）的降低转速/放大转矩的作用，要求直接驱动电机低转速/大转矩，故又称直接驱动电机为力矩电机。
■免维护：由于直接驱动没有中间机械传动环节（齿轮箱、丝杠-螺母，齿轮-齿条，齿轮-齿形带，皮带-皮带轮，联轴器等），无需对中间传动环节进行机械维护。只有直接驱动直流无刷电机电机一个驱动部件，由于直流无刷电机没有电刷也不需要维护。
■零间隙，高刚度（低柔性）：由于直接驱动没有中间机械传动环节，不存在中间机械传动环节的传动间隙（齿轮间隙，丝杠/螺母间隙），没有中间机械传动环节存在的柔性的问题。
■极好的伺服性能：由于直接驱动具有零间隙，高刚度，伺服环（速度环，位置环）可有较高的闭环带宽。高带宽使系统有极快的响应速度和抗负载扰动的能力。
■具有较大的加/减速负载的能力：不存在惯量匹配问题，电机的加速能力全部用来加速负载，无需加速中间机械传动环节。
■极好的低速和高速性能：直接驱动直线电机可以获得低于1微米/秒的低速和获得5米/秒以上的高速。
■极高的精度：由于没有中间机械传动环节的传动误差，直接驱动可以获得极高的位置精度。定位精度（绝对位置精度）取决于反馈装置的精度，重复定位精度取决于系统的分辨率。
■用具有28 bits分辨率的S600驱动器驱动直线电机可以获得0.12纳米（极距/分辨率＝32 mm/228）的重复定位精度。用具有28 bits分辨率的S600驱动器驱动无框架直接驱动旋转电机可以获得0.005角秒（360度/分辨率＝360度/228）的重复定位精度。
■紧凑/坚实的外形：无框架直接驱动电机是机器的一部分，使机器的外形更加美观。
■静音运行：运行时没有中间机械传动环节的运行噪音。
在实际应用中，有高速、超精度要求的伺服轴可以采用直接驱动技术，而其它轴仍采用常规伺服或步进电机技术，即所谓“混合驱动”模式。
直接驱动伺服系统对控制器的需求
为了满足高速、高精度伺服轴的控制要求，需要有高性能的多轴运动控制卡，64位DSP或CPU逐渐成为运动控制卡的主流，运算速度大大提高；为解决控制卡到伺服驱动器之间的信号高速、高分辨率、高可靠性传输问题，以往的模拟量信号或现场总线级总线都难以满足要求，尤其是多轴应用，需要速度快、可靠性高的运动控制级总线。Danaher Motion公司开发的SynqNet运动控制总线及控制卡很好地解决了这些问题。
■ 正常时双环路
■ 数据路径可选，一条通道备用
■ 断线时
■ 自动识别故障点
■ 故障点隔离
■ 网络重配置
■ 启用备用通道，建立两条数据路径
■ 恢复通讯
SynqNet运动控制总线及运动控制卡
SynqNet运动控制总线
SynqNet运动控制总线是Danaher Motion公司开发的、基于工业以太网的运动控制级总线。
SynqNet运动控制总线是一个高性能、全数字的开放性同步运动控制网络，它采用一种实时、同步数字网络专利技术及双冗余数据通道设计，从而可在各种复杂应用中实现卓越的运动性能，并确保机器运行的高可靠性。
高性能的运动网络需要密切管理的定时机制，以确保多个轴的同步和实时更新。尽管以太网为采用分布式控制的一般应用提供了足够性能，但它的速度过慢，无法在苛刻的环境中使用，在这些环境中，人们需要使用一个快速同步网络将集中式运动处理器与多个伺服轴相连。SynqNet 是第一个商业性100BaseT (IEEE802.3) 网络，提供了集中式控制模型的全部性能优势，在性能、容错、可靠性和诊断功能上都得到增强。SynqNet 专门支持高性能集中式控制系统，具有自修复操作、基于发现的简单组态以及很高的抗噪声干扰性能。另外，SynqNet 还得到提供众多低成本产品的多家驱动器供应商的支持，提供了独特的性能/价格比优势，从而被越来越多的行业巨头和原始设备供应商(OEM)客户所采用。
SynqNet运动控制总线技术优势
SynqNet运动控制总线具有以下特性：
■开放式、经现场验证的IEEE 802.3-100BaseT 物理层；
■针对噪声抗扰度和电缆短路的电气隔离、冗余自恢复的容错网络，自动网络组态和完整性检验，确保网络的可靠性；
■节点之间电缆可长达100米，利于实现分布控制；
■伺服驱动器转矩刷新率高达48kHz(20.83us，ZMP卡带4轴时)，确保伺服准确与快速的兼顾性能，利于实现集中控制，适合控制复杂机器的中央控制体系结构；
■支持多达32个协调轴，实现多轴协调控制；
■固件/驱动配置可下载，便于实现电机驱动性能的远程组态、更新和故障诊断；
■开放的/经济有效的设计、多厂商支持的解决方案；
SynqNet运动控制总线：冗余自恢复的容错网络
支持SynqNet运动控制总线的运动控制卡
这是一款高性能的运动控制卡，MEI的应用程序编程接口(MPI)设计用于多线程环境，支持Windows 2000/NT/XP 及以下实时操作系统：VxWorks
®enturCom RTX
®ynxOS、PharLap ETS 和QNX
®Ａ硗猓琇inux 版本的MPI 还可用于RedHat 操作系统。
MPI 应用程序很容易在Microsoft Visual Studio 或Borland C++Builder 等集成开发环境中进行开发。根据操作系统的不同，也可以使用其它编译程序，如Linux 通用GNU 编译程序。
所有其它运动实用程序和软件工具都可在Windows 2000/NT/XP 系统上运行。如果运动控制主机运行Linux、VxWorks 或其它实时操作系统的情况下，所有实用程序都具有TCP/IP 功能，允许远程主机运行应用程序。
MEI SynqNet 是一些基于PC 的平台，但eXMP-SynqNet 独立控制是例外，它是计算机和SynqNet 控制器在的一种方便组合。
ZMP-SynqNet-PCI运动控制卡采用实时64位双精度浮点Motorola PowerPC微处理器，CPU 466MHz、16MB 133MHz SDRAM，强大的处理能力和运算速度，使理论上处理4个伺服轴时节点伺服刷新率高达48kHz，处理12个伺服轴时节点伺服刷新率高达16kHz。使用带有MEI MechaWare 库的MatLab? 和Simulink?，可以迅速建立任何系统的模型，并通过SynqNet 控制器加以实现：多种滤波器、状态观察器、状态反馈、坐标转换、使用ZMP 的64 位双精度计算、复杂传动跟随方法、增益切换、振动控制、复杂多入多出(MIMO)的工厂模型、易于定义的台架控制拓扑结构，以及可以设计自定义控制方案等等强大功能。
SynqNet运动控制总线及运动控制卡的应用
在伺服更新速率、远程诊断以及服务通道方面，SynqNet 是目前为止市场上出现的性能最高的运动网络。大量的市场应用案例已经证明，作为一个高性能、全数字的同步运动控制网络，SynqNet 可以帮助用户极大地降低成本，缩短机器设计和制造的周期。
SynqNet 非常适用于半导体、电子组装、平板显示器、医疗、数控系统以及工业机器人行业中的机器级控制。特别对于医疗应用来说，SynqNet 是唯一的一个可取得高安全性和高机器利用率的“自修复”容错运动网络。
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