从市场新产品预测运动控制发展趋势

发布时间：2009-04-24 作者：张永江

　　我国是一个制造大国，大量新设备的制造与传统设备技术升级、换代，对伺服运动控制的需求与日俱增。近年来，为满足运动控制高速化、多轴化、复杂化的需求，很多国内外知名的运动控制厂商都开始重视产品的设计阶段。笔者认真研究对比了当下市面上的诸多新产品后认为，随着设备制造商、系统集成商和用户对伺服运动控制系统安全性与开放性越来越多的关注，例如西门子那样率先遵循IEC61508 标准(《电器/ 电子/ 可编程电子安全系统的功能安全标准》)，设计具有故障安全功能(达到SIL2、3 级)的产品和采用带有安全相关通信功能的实时以太网将会成为一种新趋势。
　　ALPHA5 伺服系统
　　为了满足不同的应用需求，富士新一代伺服系统ALPHA5 有两类伺服放大器和3 种伺服电机，分别是：对应通用通信(Modbus-RTU 等)的VV型伺服放大器，对应专用通信(富士独创的SX 总线协议)的VS 型、LS 型伺服放大器;以及可与这两类伺服放大器匹配的GYS 超低惯性、GYC 低惯性、GYG 中惯性伺服电机。ALPHA5 伺服系统在多功能、高性能、长寿命、经济性等方面有诸多设计亮点。
　　第一，多功能。以由VS 型、LS 型伺服放大器组成的伺服系统为例，富士设计了许多运动控制和智能化的功能，例如：速度、转矩控制，原点复位，PTP(点对点)定位，直线、圆弧插补，中断定位，比例同步，电子转输，飞剪，回转剪切等。通过通信速率为25MB/S 的SX 总线，最多可控制32 轴。

　　第二，高性能。这是产品上有强大生命力的关键因素之一，这里仅例举几方面就可知富士着力进行了精细的设计。(1)控制方式：采用IGBT晶体管、PWM 正弦波驱动，通过速度、位置、电流调节器的闭环控制，实现速度、位置、转矩的精确控制。(2)定位精度：为实现高速、高精度定位，一是配置了新的同速伺服控制引擎，其响应频率为1500HZ;二是提高伺服电机的转速，最高旋转速度达到6000r/min;三是采用高分辨率的编码器，18 位串形编码器(绝对/ 增量式)分辨率为1048576p/r, 由于采用了高分辨率的编码器，使伺服电机运转非常平滑。这些设计，使伺服系统能够缩短定位时间，实现精度的定位整定。(3)难点控制：一般伺服系统在运行中会出现一些控制难点，富士在设计中采用了新的控制技术。例如，针对机械会出现谐振的问题，设计了新的自动设定陷波滤器的频率和衰减量，使谐振消失。又如，对运动轴原点复归的问题，富士设计了数种原点复归功能，不采用至今常用的靠上位控制器编辑复杂的原点复归程序工作，而仅用以伺服参数组合的方法，即可简单实现原点复归，因采用这种方法不需要限位开关等，所以还可节省配线。再如，一旦发生意外，如何使伺服电机安全停转的问题，也设计了有效的控制方法，如当系统发生报警，主电源或当伺服ON 信号突然中断时，有急速停转或自由运转停止等方法，即使在电机急减速停转的情况下，也能以任意值限制输出转矩，从而减轻对被控机械的冲击。(4)保护功能：设计了丰富的故障自诊断、报警显示和分析功能，其中设计的报警显示有：过载、过电流、过电压、过速度、再生晶体管、再生电阻、放大器、编码器等过热，控制电路、存储器、编码器、电机组合 、通信等故障，控制电源、主电路电源电压不足，以及初始化错误、指令脉冲频率故障、绝对式编码器数据丧失、多旋转数溢出等。有些画面，在显示报警内容的同时，能显示报警发生时的速度和转矩数据，根据这些数据等因素，还能高精度分析报警的原因。(5)遵循标准：如伺服电机设计的防护等级为IP67，即使在水、尘埃的环境下也能使用。在系统性能方面，遵循CE、UL、CUL等标准。在采用零部件的材质方面，ALPHA5 的设计符合欧洲特定有害物质使用限制的ROHS 指令。(6)使用便捷性;富士设计了计算机加载器，通过UBS 电缆与伺服放大器连通后，就可方便地进行伺服系统全部或局部的测试与调整。例如，当上位控制器的程序还未编辑完成时，可先进行伺服系统与被控机构有关设置的调整，只要通过计算机加载器中的调谐设定画面，最多使伺服电机往复运行20 全次就可自动调整增益;若当被控机构还未调整好，在未连接伺服电机的状态下，可通过计算机加载器中的指令序列测试模式画面，先测试上位控制器的指令序列，这样就可提高控制器的程序调试效率，缩短伺服系统测试、调整时间。

　　第三，长寿命。富士在设计伺服系统时，重视消耗零部件的寿命，尽可能使设计寿命延长。如主电路电容器为10 年，冷却风扇为10 年，电池的设计寿命为35000h,。对比类部件还设计了寿命预极功能，可通过寿命警告、监视画面，对比类零部件的使用寿命情况一目了然。

　　第四，经济化。为了实现PTP 定位简单化，富士以往的伺服系统需要配置高功能PLC，定位功能设在PLC 内;现在的VV 型伺服放大器有内置，定位功能，只需配置小型PLC 即可简单地实现PTP 定位，对这方面的用户来说，就不用购置高功能PLC，定位单元及定位专用附件。富士在设计中，还将伺服电机、伺服放大器小型化，伺服电机全长与该公司原有机型相比，缩减约15%;伺服放大器的安装面积与该公司原有的产品相比，缩减25%—30%，因此当用于多轴运动控制时，多台伺服放大器能紧密安装，从而可节省在机械控制盘中的安装空间。富士在设计ALPHA5 时，还考虑了与老产品的兼容性，以保护用户现有的投资，如ALPHA5 与伺服放大器也可与原型号的PALDIC—α、β、w 系列的伺服电机配置，因此在取代原有伺服系统等情况时，也可灵活应付。
　　SIMOTION 运动控制系统西门子的SIMOTION 运动控制系统是为各种不同的具有复杂运动控制任务的机器。提供了一种简单的综合性的解决方案。西门子为它设计了3 种硬件平台：一是由运动控制器SIMOTION D 集，成在SINAMICS S120 驱动器的控制模板上组成的紧凑型系统，特别适用于小型、多轴、实时性要求极高的机器;二是SIMOTION C230—2 运动控制模块安装在s7—300 PLC 中的模块化系统，具有极高的灵活性，可满足许多应用领域的要求;三是SIMOTION P350 基于PC 的运动控制系统，采用具有实时处理能力的Windows NT 操作系统，特别适用于要求开放式PC 环境。同一硬件平台上既执行控制又进行显示、具有方便的数据管理分析及报表、或对远程诊断及远程操作控制要求很高的场合。
　　西门子的“SIMOTION D+SINAMICS SIZO”的运动控制系统除有多功能、高性能等方面的许多设计亮点外，下列4 方面的设计更为突出。
　　第一，模块化。这种在驱动器上完成运动控制任务的解决方案是一种模块化的系统，由控制单元(SIMOTION D)、电源模块、1 个或多个电机模块、端子模块(数字量和模拟量I/O)、以及DRIVE—CLIQ 串行数字化通信接口等组成。其中控制单元执行工艺功能运算并控制驱动器运行，括所有驱动轴的速度、转矩，驱动器相关I/O 信号的逻辑运算、定位功能和其他智能化驱动功能等都由它进行控制和运算，在控制单元上有PROFIBUS DP 或PROFINE 借口，以方便与上位控制器或HMI 连接。西门子将驱动器(SINAMICSSIZO)设计成可同时满足单轴和多轴应用的两种模块化系统，并支持伺服和矢量变频工作模式，这种设计使其具备更高的适应性和可伸缩性。驱动器上的电源模块通过直流母线为其他模块提供稳定的直流电源，带有能量回馈的电源模块可以将直流母线上的再生能量回馈给电网;电机模块是一个逆变器，为伺服电机提供运行电源，使用双轴电机模块可以更有效地实现紧凑式设计;端子模块用于输入输出信号，I/O 信号多时可通过选件板扩展。DRIVE—CLIQ 串行数字化通信接口用来即插即用，上述所有模版与组件，包括连接伺服电机和编码器。当总功率需求很高的情况下，可以使用机柜型电源模块与书本型电机模块组成的多轴驱动系统。
　　第二，软件化。为了使机器能够实现更高速、更柔性的生产目标，一些由机械部件完成的功能设计成由软件来完成，如电子凸轮、电子齿轮等。具有完善的轨迹插补运动规划，复杂的运动关系，可以很方便的用凸轮编辑器来编程。驱动器的每个组件都有一个电子铭牌，包含订货号、识别码，有关特性参数等，在进行系统调试和系统组件更换时能被快速识别。有SIZER 工程设计与组态软件、STARTE 调试软件，可快速可靠地对驱动系统进行设计、配置和调试。有SCOUT 工程开发系统软件，可用于运动控制、逻辑控制与工艺控制的工程开发。对可重复使用的软件功能，西门子设计了灵活的软件组件，它们可以灵活组合，通过组件接口进行通信，实现强大功能。所有运动控制任务的处理均可用图形方式完成，包括组态、编程、测试及调试。
　　第三，总线化。对于有严格实时、同步要求的运动控制系统采用PROFINET 网络通信，它是新一代基于工业以太网技术的自动化总线，可连接现场级与管理级设备，它基于100MB/S 的交换技术，支持星型、总线型、环型网络拓朴，从而可将布线成本降低。它具有3 种实时通信功能：TCP/IP 和UDP/IP 通信、实时(RT)通信和同步实时(IRT)通信。采用PROFINET IRT 通信，循环时间只需0.5ms，抖动精度小于1us，可同步运行70 个驱动器。这样，约有50% 的裕量。可用于采用IT 标准协议的开放式通信，例如用于工程与组态、诊断、远程维护和过程数据采集等。
　　第四，安全性。当电子驱动系统产生故障时，会对人员和设备构成极高的潜在危险。一般采用静止停车和运动位置监测器的外部手段来实现安全运行。而西门子在设计时已将安全功能直接集成到驱动系统中。并用带有安全相关通信功能的PROFINET 总线来控制。SINAMICS SIZO 驱动器为满足防止机器或设备意外启动等要求，具有安全转矩输出、安全停车、安全限速等安全保护功能，所有安全功能都通过了EN957—1 等3 类和IEC 61508 STLZ 的认证。在安全通信方面，采用PROFIsafe 的PROFINET 已通过验证，符合IEC61508 SIL3 标准，由于用一根总线电缆可实现标准通信和安全通信，从而显著降低布线费用，且所需的零部件较少。
　　ED 系列伺服系统
　　上海步科电气展出ED 系列智能伺服系统，其设计特点是：(1)智能型ED 系列伺服驱动器，包含驱动、控制I/O、总线通信功能于一体，具有全数字化的速度、位置、转矩控制功能;(2)伺服驱动器内含PLC 功能，体现了伺服与PLC 集成的一种新的设计方法，通过驱动器内部程序的编写，可实现128 种包含重要参数的运动曲线，其电子齿轮可实时调整;(3)通信总线化，可采用CA Nopen—PROFIBUS DP 等网络通信。
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