多轴驱动简化机器设计

在很长一段时间里，运动控制数学很简单:每轴一个电机，每个电机一个驱动器，用电缆连接，装在一个外壳里。更多的轴意味着更多的驱动器和更大的机柜，同时增加冷却成本，以转移它们产生的所有热量。多轴驱动器通过在电源总线或处理器级别组合驱动器任务改变了这种范式。对于正确的应用程序，多轴驱动器可以降低成本，提高性能，减少机器占用，同时简化网络拓扑结构。

几十年来，经典的机器设计以plc为特色，管理总体I/O和计时，加上专用的运动控制器，用于路径规划和驱动命令。不断增长的性能要求促使设计者通过增加驱动器本身的内存和处理能力，将一些计算负担从控制器下放到驱动器。这些“有点智能”的驱动器有足够的处理能力来关闭本地控制循环(位置、速度、扭矩)，这节省了控制器的计算周期，使更复杂的路径规划成为可能。工业标准命令是+-10V模拟信号或步进/方向信号，向驱动器发送位置或速度命令。整个体系结构保持集中，但是机器性能得到了改进。

像CANopen和EtherCAT这样的数字总线的出现，加上更复杂的驱动器固件，实现了诸如在驱动器上存储简单运动程序等功能，从而实现了驱动器之间的电子传动。这些真正的智能驱动器可以安装在机器的运动轴和雏菊旁边，以主从配置连接在一起，消除了对集中运动控制器、外壳和大量电缆的需要。这些功能降低了成本并减少了故障点。对于轴数量有限且不需要同步的简单应用程序，智能驱动器支持的分布式体系结构为设计人员提供了重要的新选项。尽管如此，无论配置为分布式还是集中式架构，每个驱动器仍然是离散的。

近年来，随着多轴驱动器的出现，这种情况发生了改变。多轴驱动器将功能组合在一个包中。它们包括封装在同一外壳中的离散驱动器，共享背板的包或板级的离散驱动器，以及共享处理器的驱动器。集成的级别各不相同，但这些设备提供了从提高效率到改进性能的各种好处。理解这些区别的一种方法是考虑它们如何在网络中显示。由一个带有几个单轴驱动器的外壳组成的松散集成的多轴驱动器将作为单独的节点出现，每个框对应一个节点。将多个驱动器集成到一块板上的版本可能会作为一个节点出现在更高级别的网络中，但可能依赖于一个子网——一个主驱动器和多个子驱动器，这通常会降低可实现的性能或同步。在真正集成的多轴驱动器的情况下，驱动器显示为一个单一的网络节点，为多个电机供电。

一种集成方法涉及处理单个驱动器，但通过共享背板将它们连接到公共直流总线。虽然严格地说，这仍然遵循一个电机，一个驱动器的范式，集成确实提供了好处。直流驱动需要一个转换器将交流输入转换为直流电源。使用公共总线允许单一转换器产生和分配直流电源到总线上的所有驱动器。其结果是更少的组件，更低的成本和更小的外形因素。这是一种高度可扩展的方法，因此在现有的设计中添加额外的轴可以很简单。

共享直流总线带来的好处比简单地取消转换器更多。该方法降低了能源消耗，降低了整体运营成本。一个转换器意味着设备只需要支路保护(熔断器，断路器等)为一个输入，而不是为每个驱动器。这减少了组件数量、布线以及布线和维护的人工成本。

通过适当的设计，共享总线方法可以提高机器的效率。考虑一个缠绕或unwind模块。在制动过程中，轴再生的电力通常会被倾倒到分流电阻，在那里它将作为热消散，浪费能源和引入热管理问题。使用直流共享总线，该电源可以返回到总线上为其他轴供电(参见图1)。公司的产品经理迈克·施维纳说:“你可以利用被放回直流总线上的可再生能源为其他电机提供动力，而不是从主AC拉更多的能量进来。罗克韦尔自动化(密尔沃基,威斯康星州)。“你正在使用本来会被浪费掉的能量。”

考虑一个八轴系统。在任何时候，轴都在再生能量、消耗能量或处于闲置状态。“通过共享总线架构，你可以真正优化你的系统，”Schweiner说。“如果你真正了解你的机器在做什么，以及每个驱动器的周期时间，你就可以计算RMS当前需求，并适当调整转换器的大小。”想象一下包装机器在封盒子。这包括快速、简短的运动，峰值功率需求高，但均方根要求低。如果你不同时使用这八个轴的所有功率，你可以减小转换器的尺寸，节省资金。

当你把驱动器放在一个公共直流总线上时，你有效地共享了所有驱动器的电容。施维纳说:“你开发了一个更硬的巴士。”“对于积极的加速度剖面，刚性总线可以提供轴所需的能量，这是这种多轴设计的另一个好处。”

选择能够利用共享DC总线的优点的应用程序是很重要的。虽然传统驱动器每个需要一个转换器，但整体多轴设计带来了一定的成本。对于两个或三个轴，这种方法可能不划算。相反，它可以很好地工作在几十甚至超过100个轴，如您可能发现在包装线或印刷线。同时也要对混合方法持开放态度。它可能是有意义的运行某些高功率轴与单一驱动器，然后使用模块化系统的其他。尽管在分布式体系结构中将这种类型的驱动器放在机器上并不是没有听说过，但它更多的是例外而不是规则，并且总是由应用程序驱动。

更高层次的整合
有些应用程序对性能的要求甚至挑战最好的离散驱动器解决方案。在这里，真正的多轴驱动器提供了一种替代方案。at的总经理Jason Goerges说:“一个可以控制多个轴的驱动器可以让你达到独立单轴分布式驱动器几乎不可能达到的性能水平ACS运动控制(布卢明顿,明尼苏达州)。在这些设计中，单个处理器为每个电机命令一个单独的脉宽调制(PWM)功率电路(见图2)。控制器向盒子的微处理器发送一个多路复用信号，在那里它被解复用为每个单独驱动器的单独信号。与分布式体系结构或传统的单驱动集中式体系结构不同，同步级别不再由通信总线或网络驱动。相反，这些驱动器与处理器时钟同步。这使得运动控制达到了纳米级的精度。

在最坏的情况下，EtherCAT协议允许网络中的设备同步到0.1µs。“在大多数工业自动化应用中，一个盒子和另一个盒子之间0.1 μ s的延迟甚至是不明显的，”Goerges说，“但在要求极高的应用中，如将半导体晶圆定位到纳米内，拥有一个多轴节点可以让你从单个处理器进一步同步轴，抖动通常小于1ns。”

目前，这些类型的驱动器的轴计数很低，但它们可以很好地适用于许多笛卡儿应用，如半导体晶圆检查，其中时间就是金钱。IC制造的成品率直接关系到硅基板上的精确映射和避免缺陷，这需要准确、快速的检查。目前300mm晶圆的系统可能需要1到10nm的误差(抖动)后的停顿，以及小于1mm /s的+/-10-到20nm的误差。下一代450mm晶圆片的要求更加具有挑战性:抖动小于1nm，误差大于1mm /s，抖动小于+/- 10nm。当然，当系统变得更大的时候，一切都会变得更困难——更长的运行时间，更多的惯性。这就是多轴驱动器真正闪光的地方。

作为一个例子，考虑XXY或h杆龙门，通常用于晶圆检测系统。龙门架的每一侧- X和X ' -由一个单独的电机/编码器对提供动力。龙门的中心是y轴。将门架建模为门架两侧耦合的系统，需要采用多输入多输出(MIMO)算法。为了达到纳米级的精度，系统必须关闭所有三个轴上的反馈循环，并且运动必须高度同步。由于多轴驱动与微处理器的时钟周期同步，它可以按需要执行。该技术的其他用途包括高速印刷线或高精度应用，如粒子加速器中的光束准直。

根据机器的复杂性，决定正确的多轴驱动器可能是一个挑战。设备从两轴到八轴都有。当轴计数不合适时，问题就出现了。如果您有一个七轴应用程序，您是使用两个四轴多驱动器，只留下一个没有I/O，还是使用一个四轴多驱动器和三个独立驱动器?毫不奇怪，这取决于应用程序。同步需求是什么?成本和空间的限制是什么?即使在两个不同的应用程序中使用相同的机器平台，也可能需要两种不同的实现。从性能的角度来看，至少这不是一个困难的选择，Nate Holmes说，他是at运动控制的产品营销经理国家仪器(德克萨斯州奥斯汀)。“除了使用未使用的I/O的成本外，与其他驱动器解决方案相比，我不认为使用多轴驱动器有什么大的缺点。”

到目前为止，这种类型的多轴驱动技术仍然是一个小众的解决方案，需要非常强大的控制器。不过，随着技术变得越来越严格，这种情况可能会改变。“我不会说它现在很普遍，但我怀疑它会变得越来越普遍，”戈尔吉斯说。

这些趋势对智能驱动器、“哑”驱动器和分布式控制意味着什么?当然，它仍然是一种可靠和流行的技术。尽管如此，正如带宽限制加上对提高性能的要求导致智能被下推到驱动器上一样，更快的通信可能会将设计推向集中式架构，这可能是一个独立的趋势。“‘哑巴’驱动运动的增长速度比分布式技术更快，而分布式技术是把你的智能放在驱动器里，”自动化集团主管克雷格•达尔奎斯特(Craig Dahlquist)表示伦茨(Uxbridge, Massachusetts)，引用了最近的市场调查。达尔奎斯特对结果没有既得利益——公司生产这两种技术。

智能驱动器，鼓式驱动器，多轴，离散-今天的市场为设计师提供了广泛的选择，为他们的应用开发最佳的系统。不过，还是要回到应用程序上来。了解你的要求和限制。一旦你选择了一个选项，记住Schweiner的建议并进行优化。理想的设计就在那里。