說(shuō)到現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化與運(yùn)動(dòng)控制的支撐性技術(shù)——伺服系統(tǒng)，中國(guó)本土企業(yè)在過(guò)去十幾年中實(shí)現(xiàn)了從起步到全面擴(kuò)張的發(fā)展態(tài)勢(shì)，比如數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)中的廣州數(shù)控、華中數(shù)控，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)企業(yè)中的南京埃斯頓、桂林星辰、東元、珠海運(yùn)控、和利時(shí)電機(jī)、蘭州電機(jī)廠(chǎng)，運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)企業(yè)中的深圳步科、杭州中達(dá)，乃至以變頻器為龍頭產(chǎn)品的臺(tái)達(dá)、匯川、英威騰等企業(yè)都已紛紛投身伺服產(chǎn)業(yè)并實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，而且占據(jù)了中低端市場(chǎng)的絕大部分市場(chǎng)份額，如今更是胸心勃勃地向中高端市場(chǎng)邁進(jìn)，無(wú)不挑動(dòng)著國(guó)際老牌工控巨頭的神經(jīng)。
不過(guò)，實(shí)事求是地看，西門(mén)子、安川、松下等國(guó)外領(lǐng)先供應(yīng)商的產(chǎn)品技術(shù)性能優(yōu)越，并也開(kāi)始大打“性?xún)r(jià)比”牌，以吸引更多客戶(hù)，撼動(dòng)其在中高端市場(chǎng)的地位并非易事。正如一些調(diào)研機(jī)構(gòu)指出的，在技術(shù)方面，6軸、7軸聯(lián)動(dòng)伺服、機(jī)器人伺服等高端應(yīng)用，以及通訊總線(xiàn)接口技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，大陸品牌與國(guó)外先進(jìn)水平至少還有20年的差距！
交流伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)、傳感和控制技術(shù)等關(guān)聯(lián)技術(shù)的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動(dòng)機(jī)而言，可以采用盤(pán)式電機(jī)、無(wú)鐵芯電機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)等，驅(qū)動(dòng)器可以采用各種功率電子元件，傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾元件甚至是無(wú)傳感器技術(shù)，控制技術(shù)從采用單片機(jī)開(kāi)始，一直到采用高性能DSP 和各種可編程模塊，以及現(xiàn)代控制理論的實(shí)用化等等。那么，在進(jìn)軍中高端，中國(guó)開(kāi)發(fā)者應(yīng)該首先從哪個(gè)方面進(jìn)行突破呢？答案是：提高伺服驅(qū)動(dòng)的精度和可靠性。
ADI公司行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理張松剛 (Singer Zhang )指出：“伺服驅(qū)動(dòng)解決方案與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高性能和精度密切相關(guān)，多數(shù)情況下，最終的用途可以是一個(gè)高精度數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)或機(jī)器人系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求能夠精確控制位置及電機(jī)扭矩對(duì)準(zhǔn)性能最佳。”
圖1：伺服控制系統(tǒng)框圖和信號(hào)鏈組成。
伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)
Singer進(jìn)一步分析了伺服驅(qū)動(dòng)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢(shì)和主要挑戰(zhàn)：
1.在伺服控制中，高精度電流和電壓檢測(cè)可提高速度和扭矩控制性能，這要求12位以上的性能及多通道的ADC。
2.位置檢測(cè)性能是伺服控制的關(guān)鍵，常常使用光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器。伺服控制技術(shù)從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換推動(dòng)了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿(mǎn)足了對(duì)于電機(jī)控制的性能和效率的高要求。
3.從優(yōu)先考慮安全和保護(hù)的角度，信號(hào)采樣和功率器件驅(qū)動(dòng)應(yīng)采用隔離技術(shù)。
4.使用DSP等高性能處理器可實(shí)現(xiàn)矢量控制和無(wú)傳感器控制。
5.與很多工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)一樣，長(zhǎng)生命周期和高可靠性的IC產(chǎn)品是伺服控制系統(tǒng)工程師的首選。
6.普通的交流感應(yīng)電機(jī)向永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)變已是大勢(shì)所趨，要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能提供更高效率和更靈活的算法。
圖1完整地展示了現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)信號(hào)鏈的關(guān)鍵組成部分，包括反饋和檢測(cè)、隔離、電源管理、接口、嵌入式處理和通信等。Singer表示，ADI公司針對(duì)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢(shì)和挑戰(zhàn)提供單個(gè)的器件以及完整的產(chǎn)品信號(hào)鏈方案，包括隔離器、處理器、轉(zhuǎn)換器和混合信號(hào)前端，性能和質(zhì)量在同類(lèi)產(chǎn)品中首屈一指，這些高性能的器件和增加系統(tǒng)集成度有助于實(shí)現(xiàn)更新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供高附加值，并可幫助伺服系統(tǒng)工程師可以加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
Singer特別強(qiáng)調(diào)了位置檢測(cè)電路、電流/電壓檢測(cè)的良好隔離、處理器以及設(shè)置點(diǎn)和通訊接口支持對(duì)高性能伺服系統(tǒng)的重要意義。“在位置檢測(cè)和電流電壓檢測(cè)或隔離電路中，目前10位精度的ADC要被12位以上精度的ADC所取代，從而大幅提高整個(gè)系統(tǒng)的精度和性能；高端伺服應(yīng)用需要更高效更復(fù)雜的算法，目前100~150MHz的DSP/MCU會(huì)顯得捉襟見(jiàn)肘，而像ADI公司最新推出的400MHz Blackfin DSP就能很好的滿(mǎn)足需求；中高端伺服系統(tǒng)未來(lái)都會(huì)逐步支持工業(yè)組網(wǎng)，因此ADI公司的種類(lèi)齊全的iCoupler創(chuàng)新數(shù)字隔離接口方案（可支持Profibus/485/CAN等多種標(biāo)準(zhǔn)制式）可幫助客戶(hù)很容易實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的連接。ADI公司所擁有的廣泛的技術(shù)組合可以滿(mǎn)足工程師對(duì)于現(xiàn)在和將來(lái)的任何電機(jī)控制解決方案的需求。”他總結(jié)說(shuō)。
高性?xún)r(jià)比RDC實(shí)現(xiàn)高精度位置檢測(cè)
伺服系統(tǒng)一般具有速度環(huán)、電流環(huán)（力矩）、位置環(huán)三個(gè)閉環(huán)，其中最復(fù)雜的閉環(huán)控制當(dāng)屬位置環(huán)，對(duì)精度、可靠性都有很高的要求。以往采用的光電編碼位置檢測(cè)方案具有體積小、精度高、無(wú)接觸無(wú)磨損的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求高，很多高溫潮濕的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合就不適合了。作為另一種常見(jiàn)的位置/速度檢測(cè)方案，旋轉(zhuǎn)變壓器(旋變)數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC) 具有抗震性好、耐腐蝕、耐高溫和易實(shí)現(xiàn)高速位置檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中。
Singer介紹說(shuō)，ADI公司具有最有性?xún)r(jià)比的高精度旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)旋變器）系列AD2S1210可提供最高達(dá)16位的分辨率，并集成了片上可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供正弦波激勵(lì)。該轉(zhuǎn)換器的正弦和余弦輸入端允許輸入3.15 V p-p ± 27%、頻率為2 kHz至20 kHz范圍內(nèi)的信號(hào)。Type II伺服環(huán)路用于跟蹤輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。最大跟蹤速率為3125 rps。對(duì)于惡劣的工作環(huán)境，AD2S1210（C級(jí)和D級(jí)）的額定溫度范圍為−40°C至+125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。
AD2S1210適合的應(yīng)用包括但不限于：直流和交流伺服電機(jī)控制；編碼器仿真；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；電動(dòng)汽車(chē)；集成的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)/交流發(fā)電機(jī)；汽車(chē)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與控制。為幫助工程師更快更好地完成產(chǎn)品選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，ADI公司還提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)室電路（CFTL）。實(shí)驗(yàn)室電路是經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)和測(cè)試的子系統(tǒng)級(jí)構(gòu)建模塊，方便設(shè)計(jì)人員輕松快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。
圖2所示的高電流驅(qū)動(dòng)器放大AD2S1210的參考振蕩器輸出并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而優(yōu)化與旋變器的接口。該驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)使用雙通道、低噪聲、精密運(yùn)算放大器AD8662和分立互補(bǔ)發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)的復(fù)合放大器。一個(gè)類(lèi)似的驅(qū)動(dòng)器級(jí)用于互補(bǔ)激勵(lì)輸出，從而提供一個(gè)全差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋變器初級(jí)繞組。本電路包括一個(gè)推挽輸出級(jí)，它能夠向旋變器提供所需的電源，另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是當(dāng)不存在信號(hào)時(shí)，輸出晶體管只需要少量靜態(tài)電流。
圖2. 用于AD2S1210 RDC參考信號(hào)輸出的高電流緩沖器。
RDC與旋轉(zhuǎn)傳感器配合使用，以便檢測(cè)電機(jī)軸的位置和轉(zhuǎn)速。在這種應(yīng)用中，旋變器利用正弦波參考信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)。初級(jí)繞組上的旋變器激勵(lì)參考信號(hào)被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正弦差分輸出信號(hào)：正弦和余弦。正弦和余弦信號(hào)的幅度取決于實(shí)際的旋變器位置、旋變器轉(zhuǎn)換比和激勵(lì)信號(hào)幅度。RDC同步采樣兩個(gè)輸入信號(hào)，以便向數(shù)字引擎（即所謂Type II跟蹤環(huán)路）提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。Type II跟蹤環(huán)路負(fù)責(zé)計(jì)算位置和速度。ADI基于AD2S1210的典型應(yīng)用電路如圖3所示（上述ADI實(shí)驗(yàn)室電路的編號(hào)為CN0192，詳情可登錄ADI公司官方網(wǎng)站查詢(xún)）。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
圖3. AD2S1210 RDC的典型應(yīng)用電路。
創(chuàng)新的數(shù)字式高壓安全隔離技術(shù)——iCoupler
在圖1所示的伺服系統(tǒng)通信接口部分的模擬輸入信號(hào)隔離電路以及電流檢測(cè)的隔離ADC中，一種全新的數(shù)字隔離技術(shù)躍入眼簾，即ADI的iCoupler專(zhuān)利技術(shù)，可滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)高壓安全隔離的要求。
iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器，每個(gè)iCoupler通道都由兩部分組成：CMOS接口電路和芯片級(jí)的變壓器。而iCoupler隔離變壓器的核心，正是這個(gè)能夠穿越隔離阻障并發(fā)射與接收信號(hào)的平面變壓器，它們不僅能夠提供隔離，而且消除了以往常用的光耦隔離器中光電轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)，包括功耗過(guò)大、較大的時(shí)序誤差和數(shù)據(jù)速率受限等。事實(shí)上，由于無(wú)需驅(qū)動(dòng)LED的外部電路，iCoupler數(shù)字隔離器功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。
iCoupler隔離變壓器可實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，其高耐壓的關(guān)鍵性，在于發(fā)送和接受變壓器的頂層和底層線(xiàn)圈之間，采用厚達(dá)20微米的聚酰亞胺材料作為隔離層。
已被不少本土領(lǐng)先伺服控制系統(tǒng)廠(chǎng)商用作電流檢測(cè)隔離ADC的AD7400A是一款二階Σ-Δ調(diào)制器，其片上的數(shù)字隔離采用ADI公司的iCoupler®技術(shù)，能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速1bit數(shù)據(jù)流。ADI提供了基于AD7401和其他iCoupler隔離器產(chǎn)品的低成本模擬/模擬隔離器（見(jiàn)圖4）完整實(shí)驗(yàn)室電路（編號(hào)CN0185），應(yīng)用包括 交流電機(jī)控制、電流監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及各種可替代ADC加光隔離器的隔離系統(tǒng)。
圖4這種完整的模擬/模擬隔離器可提供2500 V rms的隔離值（1分鐘，符合UL 1577標(biāo)準(zhǔn)）。該電路基于 AD7400A二階Σ-Δ型調(diào)制器。隔離模擬信號(hào)利用一個(gè)基于雙通道、低噪聲、軌到軌運(yùn)算放大器 AD8646 的四階有源濾波器恢復(fù)。ADuM5000是一款基于ADI公司iCoupler®技術(shù)的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于為電路的隔離端（包含AD7400A）提供電源，兩端完全隔離，系統(tǒng)僅使用一個(gè)電源。該電路具有0.05%的線(xiàn)性度，并能獲益于調(diào)制器AD7400A和模擬濾波器提供的噪聲整形。
圖4.采用隔離式Σ-Δ型調(diào)制器、隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器和有源濾波器的新型模擬/模擬隔離器。
Singer介紹說(shuō)，ADI公司提供的單封裝iCoupler數(shù)字隔離器系列是業(yè)界種類(lèi)最齊全的隔離器產(chǎn)品，除了上述隔離式Σ-?型ADC、采用isoPower的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器之外，還包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器、集成PWM控制器和變壓器驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字隔離器、USB 2.0兼容型隔離器、隔離式門(mén)驅(qū)動(dòng)器、隔離式I²C數(shù)字隔離器、隔離式RS-485收發(fā)器、隔離式RS-232器件等。“可以看到，ADI提供各種制式的隔離接口方案，可滿(mǎn)足各種中高端伺服系統(tǒng)未來(lái)支持工業(yè)組網(wǎng)的需求。”他指出。
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