多轴驱动简化了机器设计

在很长一段时间里，运动控制的数学很简单:每个轴一个电机，每个电机一个驱动，由电缆连接并装入一个外壳。更多的轴意味着更多的驱动器和更大的机柜，同时也增加了将它们产生的热量输送出去的冷却成本。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来改变这种模式。对于合适的应用程序，多轴驱动器可以在简化网络拓扑的同时降低成本、提高性能和减少机器占用空间。

几十年来，经典的机器设计以plc为特色，以管理整体I/O和定时，再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向驱动器本身增加内存和处理能力，将一些计算负担从控制器推到驱动器。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回路(位置、速度、扭矩)，这就节省了控制器的计算周期，使更复杂的路径规划成为可能。行业标准指令是+-10V模拟信号或步进/方向信号，向驱动器发送位置或速度指令。整体架构仍然是集中式的，但机器性能有所提高。

CANopen和EtherCAT等数字总线的出现，加上更复杂的驱动器固件，实现了在驱动器上存储简单运动程序等功能，从而实现了从驱动器到驱动器的电子传动。这些真正的智能驱动器可以安装在机器的运动轴旁边，并以主从配置的形式连接在一起，消除了对集中运动控制器、外壳和大部分电缆的需要。这些能力降低了成本，减少了故障点。对于轴数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架构为设计人员提供了重要的新选项。然而，无论在分布式架构还是集中式架构中配置，每个驱动器仍然是离散的。

近年来，随着多轴驱动的出现，情况发生了变化。多轴驱动器结合功能在一个单一的包。它们包括封装在同一外壳中的离散驱动器、共享一个背板的封装或板级的离散驱动器，以及共享一个处理器的驱动器。集成级别各不相同，但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出现。松散集成的多轴驱动器组成的一个外壳与几个单轴驱动器将显示为单独的节点，每个框一个。在一个版本中，多个驱动器集成到一块板上，可能作为一个节点显示到更高级别的网络，但可能依赖一个子网络——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。在一个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，为多个电机提供动力。

一种集成方法涉及单个驱动器的工作，但将它们连接到跨共享背板的公共直流总线。虽然严格来说，这仍然遵循一个发动机，一个驱动的模式，集成确实提供了好处。直流驱动器需要一个变换器将交流输入转换为直流电源。使用公共总线允许一个单一的变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形状因素。这是一种高度可伸缩的方法，因此在现有设计中添加额外的轴是非常简单的。

共享直流总线带来的好处比简单地消除转换器。该方法降低了能源消耗，总体上降低了运营成本。一个变换器意味着设备只需要一个输入支路保护(保险丝，断路器等)，而不是每个驱动器。这减少了组件数量、布线以及布线和维护的劳动力成本。

通过合理的设计，采用共享总线的方式可以提高机器的效率。考虑一个wind或unwind模块。在制动过程中，轴会重新产生功率，这些功率通常会被输入分流电阻，在那里它会以热量的形式消散，浪费能量并引入热管理问题。通过直流共享总线，可以将该功率放回到总线上，为其他轴提供动力(参见图1)。该公司的产品经理迈克•施维纳表示:“你可以利用重新注入直流总线的可再生能量，为其他电机提供动力，而不是从主交流电源中获取更多的能量。罗克韦尔自动化(密尔沃基,威斯康星州)。“你在使用本来会被浪费的能量。”

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。Schweiner说:“使用共享总线架构，你可以真正优化你的系统。“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，你就可以计算出RMS电流要求，并适当地调整转换器的尺寸。”考虑一台包装机密封一个盒子。这涉及快速、简短的移动，峰值功率要求高，但均方根要求低。如果您没有同时使用这8个轴的所有功率，您可以减少转换器的尺寸并节省资金。

当你把驱动器放在一个共同的直流总线上，你有效地分享了所有驱动器的电容。Schweiner说:“你开发了一辆更硬的巴士。”“对于激进的加速剖面，刚性客车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总线优势的应用程序是很重要的。虽然传统的驱动器每个需要一个转换器，整体多轴设计有一定的成本。对于两个或三个轴，方法可能不划算。相反，它可以很好地工作数十甚至超过100轴，如您可能发现在包装线或印刷线。也要对混合方法持开放态度。这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为其他。尽管在分布式体系结构中将这种类型的驱动器放到机器上并非闻所未闻，但它更多的是一种例外，而不是规则，通常是由应用程序驱动的。

更高层次的整合
一些应用程序要求的性能甚至挑战了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选择。“一个可以控制多个轴的驱动器可以让你达到独立的单轴分布式驱动器几乎不可能达到的性能水平，”Jason Goerges说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指令一个单独的脉宽调制(PWM)电源电路(见图2)。控制器将多路复用信号发送到盒子的微处理器，在那里它被分解成单独的信号，用于每个单独的驱动器。与分布式架构或传统的单驱动器集中式架构不同，同步级别不再由通信总线或网络驱动。相反，驱动器被同步到处理器时钟。这使得运动控制达到纳米级精度。

EtherCAT协议允许网络中的设备在最坏情况下同步到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0.1µs的延迟甚至是不明显的，”Goerges说，“但在极其苛刻的应用中，比如将半导体晶圆定位到纳米以内，拥有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1纳秒。”

目前，这些类型的驱动器的轴数很低，但它们可以很好地适用于许多笛卡儿应用，如半导体晶片检测，在那里时间就是金钱。集成电路制造的成品率与仔细测绘和避免硅衬底上的缺陷直接相关，这需要准确、快速的检查。目前用于300毫米晶圆片的系统可能需要1到10纳米的静止跟踪误差(抖动)，以及小于1毫米/秒的+/-10- 20纳米跟踪误差。下一代450毫米晶圆片的要求更加具有挑战性:抖动小于1纳米，在大于1毫米/秒的情况下跟随误差小于+/-10纳米。当然，当系统变得更大时，一切都变得更难——运行时间更长，惯性更大。这就是多轴驱动真正发挥作用的地方。

以XXY或h型钢龙门为例，通常用于晶片检测系统。每一边的龙门- X和X ' -由单独的电机/编码器对供电。龙门的中心是y轴。龙门系统可以被建模为龙门两侧耦合的系统，这需要多输入多输出(MIMO)算法。为了达到纳米级的精度，系统必须关闭所有三个轴的反馈回路，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，因此可以按要求执行。该技术的其他用途包括高速打印线或高精度应用，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。设备可以从两轴到八轴。当轴数不匹配时，问题就出现了。如果您有一个七轴应用程序，您使用两个四轴多驱动器，只留下一个没有I/O或您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。同步要求是什么?成本和空间限制是什么?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。该公司运动控制产品营销经理Nate Holmes表示，至少从性能的角度来看，这并不是一个困难的选择国家仪器(德克萨斯州奥斯汀)。“除了未使用I/O的成本外，我认为与其他驱动解决方案相比，使用多轴驱动没有什么大的缺点。”

到目前为止，这种类型的多轴驱动技术仍然是一个利基解决方案，需要非常强大的控制器。不过，随着技术变得越来越严格，这种情况可能会发生改变。Goerges说:“我不能说它现在很普遍，但我怀疑它会变得更普遍。”

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。然而，就像带宽限制加上对提高性能的需求导致智能被推到驱动器上一样，更快的通信可能会将设计推回到集中式架构，这可能是其本身的趋势。该公司自动化组主管克雷格•达尔奎斯特表示:“‘Dumb’驱动运动的增长速度比分布式技术要快，后者将智能植入驱动器伦茨引用了最近的市场研究。达尔奎斯特对结果没有既得利益-该公司生产两种类型的技术。

智能驱动器，鼓式驱动器，多轴，离散-今天的市场给设计师提供了广泛的选择，以开发最优的系统为他们的应用。不过，和往常一样，它会回到应用程序。了解你的需求和限制。一旦你选择了一个选项，记住施维纳的建议并进行优化。理想的设计就在那里。