机电一体化改变运动控制设计

发布时间：2010-03-31 作者：C.G. Masi, Control Engineering高级编辑

　　机械、电气以及软件工程的集成正在改变运动控制设计及其发展的面貌。

　　基于自己在传统机器制造业中的经验，Rockwell Automation 的Kinetix Motion Control Business产品市场经理John Pritchard说，“单独的机械、控制和电气设计小组进行独立的工作，生产整台机器的个别部件。通常这种情况下，机械功能与控制系统的结合并不是最理想的，只是够用而已。机电一体化则提供了更有效的设计方法。”
　　在过去的两年内，已经有了很多有助于机电一体化运动控制系统设计及发展的关于仿真软件、项目管理工具和协作软件的著述。虽然这些工具是发展项目的重要及潜在的主要部分，却仍不能与优良超前的计划及工程学头脑相提并论。这份项目发展指南展示了软件工具与优良的项目管理是如何结合的，并描述了怎样塑造优秀的机电一体化工程师。　　

用于配置转动负荷的机电子系统包括伺服电动机定子及其电枢、轴以及负载。

　　从良好的计划书开始
　　用于配置转动负荷的机电子系统包括伺服电动机定子及其电枢、轴以及负载。
　　每个发展项目都是从计划书开始的。对于产品发展项目，计划书由基于消费者需求的行销或营业部门提供。若项目中包括用于内部使用的机械的开发，则“消费者”为使用者部门的经理。不论哪种情形，说明书总是由预期使用者，而非开发者或系统综合者来起草。
　　被问到如何设计用于运动应用的定制电动机时，Incremotion Associates 的会长Dan Jones说道，“我需要知道从何处入手。基本的首要问题总是聚焦于：你能从电动机取得什么？你的策略是什么？你想使之具有哪方面的性能？”
　　提供给参与运动控制项目设计的工程师的计划书在某种意义上应是有些模糊的，它应为设定正确的方向提供足够的信息，但不应提供太多的细节而限制了最佳解决方案的出炉。例如，一份恰当的用于原料传输系统的计划书应如下：
　　“物体从机器Ａ的输出以介于Rmin和Rmax单位每分钟之间的速率传输，并将其供给机器Ｂ。系统应具有最小正常工作时间Umin及低于Emax的错误发生率。需配备溢出缓冲器。”
　　这份计划书要提供对新机械必须连接的现有设备的描述，详述合格的性能范围并阐明新机械必须达到的效果。这份计划书并不告诉工程师怎样实现这个结果。
　　对于同一项目，一份不当的计划书可能是：“在机器Ａ和Ｂ之间安装一个ＳＣＡＲＡ。”这份计划书犯了三个错误：第一，它没有提供关于所需性能的定量信息；第二，它没有提供ＳＣＡＲＡ所要连接的机械的完整描述；第三，也可能是最重要的一点，它迫使综合者提供ＳＣＡＲＡ，而这不一定是最好的解决方法。

　　项目划分
　　《高卢战记》中，尤利乌斯·恺撒的第一句话是“Gallia est omnis divisa in partes tres”，字面意义为“所有的Ｇａｕｌ分为三种”。
　　作为历史上最伟大的将军之一，凯撒知道一个人不可能立刻完成整项任务，而将自己不能吃掉的多余部分吐出来，是一个解决问题之法。其他的评论家，包括Machiavelli, Sun Tsu和 Lau Tsu，都曾有过类似的言论。这成为了现代管理项目的基础之一。
　　因此，在做其他事情之前，开发者必须将项目划分为若干独立任务，每一任务可以作为一个单位来进行工作。方块图提供了划分工程设计项目的一种方法。
　　方块图有两个部分：各方块及它们间的互连。方块表示共同工作以完成整项任务的子系统或组件。上面提到的物料输送系统有三个方块：从机器Ａ处接收物件的方法，将其传送到机器Ｂ的方法，以及将其供应给机器Ｂ的方法。
　　互联，在方块图中通常用箭头表示，用于各方块间物资的传递。传递之物可能是信息，物理的相互作用例如压力或力矩，或者物质对象。通常它是这三者的集合。
　　方块非常有用，是因为它们通常不表示单个对象，而表示子系统。它们是黑盒子，工程师可以打开它以修补其中的机械，或任其闭合使之在它们之间的界面上工作。当然，在工程师打开黑盒子并放入一些东西之前，它是空而无用的。　　

方块图提供了将系统划分为更多便于管理的部分的方法。

　　选择将什么放入其中的第一个步骤是列出所有可能的选项，然后剔除其中明显不适合或过于复杂的项。例如，若机器Ａ的输出和机器Ｂ的输入之间相隔了四分之一英里，则ＳＣＡＲＡ不能担当此工作——至少不能独自担当。一条传送线路或许也不能胜任。事实上，ＡＧＶ可能是最好的办法。
　　“我所希望看到的做法是，” Pritchard说，“工程师能从相关类型运动剖面在物理学上需要相应类型压力这一基础着手，但是，工程师通常只拿起他们的工具箱然后攫取一些以前使用过的东西。”
　　这是一种危险的做法，Pritchard说：“若我们选择仅仅是够用的东西，结果也只是普普通通。若我们选择了最佳的东西，那么很有可能会得到不平常的结果。”
　　关于工程师将什么放入高级模块这点，正是传统工程学所遇到的难题。
　　一连好几代，工程学课程都旨在培养出受过高等训练的专家。设计机械系统如汽车传动机需要机械工程师的技术，设计电子系统如仪表放大器需要电子学工程师，而设计计算机系统需要专攻数电的工程师，在这种情形下，这样的教育还算好。但在现今的机电一体化及运动控制系统中，这些传统学科中的任何一个都不能胜任这项工作。
　　Pritchard用于描述理想机电一体化工程师的词，是“万事通”——一个具备对可用选项进行评估的能力，并做出高级工程决策的人。 “他/她需要懂得所有这些不同的学科。他们需要了解构造设计、自动控制以及软件。换句话说，他们需要接受多重训练。”
　　Marquette University的Kevin Craig教授开设了机电一体化课程以培养这样的人才。学员将学习机械、电气电子、软件以及控制理论。Pritchard说，“他们将了解需求，并懂得所有这些不同学科之间的联系。”
　　“这些学员，”他继续说，“将成为我们正好需要的人才。我们的客户也需要他们！”

　　使用定量模型
　　在对运动控制项目进行了所有定性考虑之后，是时候采用定量建模来缩小范围了——即便在你已经排除了其他所有选项只剩一个的时候。
　　“一个优秀的机电一体化设计，”Pritchard说，“应从基础物理分析开始，以指导设计师选择正确的机械结构。”
　　定量模型具有两种形式：动力学方程和有限元模型。两者都是应用数学的方法，且通常会被同时使用。
　　动力学方程是广义坐标下的运动方程，是简单的前后、左右及上下坐标系统概念的简单扩展。例如，齿轮传动链的坐标是以其中一个齿轮或传动链的角坐标来作为最佳表示方法的。
　　广义坐标分析模型的能力在于它们覆盖了交叉工程的学科。用广义坐标的方式进行思考，能帮助人们像处理机械方面那样来处理非机械方面。例如，机械系统的每个元件都有与之对应的角坐标。而每个电气元件，也同样具有一个值。每个变量都以另一个通用的等同量来计算。
　　大部分等同量都与约束方程式相关联，这可以减少运动方程的个数。例如，磁场和电枢之间的扭矩与驱动电流成比例。系统的自由度是当所有约束都被考虑到之后所剩下的变量。
　　在旋转负荷配置系统的广义坐标之外，例如，只剩下一项自由度和一个当目标坐标改变时控制整个子系统反应的运动方程：

　　I为负载转动惯量，S为轴硬度，Q为表示系统环路增益的辅助参数， 为负荷角和目标角之间的差值，也就是轴的角曲度。
　　注意，这个运动方程并没有明确包含可控变量，即负载方向。固定坐标系中的负载方向对系统没有任何意义。系统在意的是实际负载方向和目标负载方向之间的差值以及轴的曲度。
　　运动方程可以用实际角坐标的形式写出，但它看起来会更复杂。最好的选择是使用辅助参数来求解，然后将解重新转换为绝对坐标（实际负载和目标夹角）。
　　明确设立运动方程的另一个优势在于它允许几乎所有微分方程的求解方法：预先知道答案。熟悉振荡系统方程的读者会认得这是无阻尼的被迫谐振子方程。几百年来这个解答广为人知并被详尽学习。
　　这个方程形式应立刻带给机电一体化工程师一个危险信号：除非采取行动，否则系统会在目标坐标附近进行振荡。有经验的机电一体化工程师知道三种补救方法：增加阻尼、在反馈回路中安装一个陷波滤波器或者修改运动剖面来消除。　　

机电一体化为诸如设计新的材料传输系统这样的项目提供了更有效的设计方法。

　　实际情形的数字模型
　　了解运动方程和它的分析解法只是第一步。这个运动方程，与很多现实机械的方程一样，除了在特定条件例如无驱动输入或由正弦输入进行驱动的情况下，是不可解析的。
　　要预知实际条件下的系统性能，数字（计算机）模型是最好的。计算机建模将枯燥的重复运算从假设分析中剥离。这里有两种方法：运动方程的数解和有限元分析（FEA）。数解用于一般尺寸及配置。FEA用于对不同系统元件的运行作详细分析。

　　
控制系统建模设计软件，帮助工程师不必生产出模型就可以看到创意的结果。

　　当然，充足的时间和计算机设计技术，使得机电一体化工程师可以用高级语言例如C++来写出求解运动方程的程序。一些公司在商业现货供应元件的基础上，为使用者提供能协助他们设立及求解运动方程的工具。通常，运动控制的卖家会为客户提供选择正确项目元件的免费工具。
　　“很多此类工具不是整体方程法，就是有限元设计程序。”Jone说，“这两种工具都包含极好的（协助起动一项应用的）例子。大约有八到十个支持不同程序的软件公司。”
　　Pritchard指出，“这个阶段，我们尝试不同的机械方案，分析，然后将它们最优化。在这些不同的机械方案中，通常会有一个最好的。”
　　“在这个阶段，通用方程比之有限元具备一个主要优势，”Jone说，“虽然它通常没有有限元准确，但在设计的初始阶段能节省时间，这是很重要的。当这份设计非常接近完成时，我再用有限元来验证它。”
　　你如何知道自己获得了正确答案？“这是个有趣的问题，”Jone说，“唯一的方法是，将其建成，或与类似的东西相比较，看它看起来是否正确。这是关于仿真工具的问题：你将其建成的方法决定了它是成功还是失败。”
　　Pritchard说，他所见到的选择了交叉功能设计方法的公司“通常都制造出了更美观，更高性能的机器。因为无需考虑增加的竞争威胁及价格压力，他们对自己的前景更加乐观。”
　　翻译：肖红练