面向伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制解決方案

以下文章來源于亞德諾半導(dǎo)體 ，作者ADI

智能運(yùn)動(dòng)控制是高度敏捷且可持續(xù)制造的核心，工業(yè)現(xiàn)場中從泵到傳送帶、擠壓沖床再到機(jī)器人，電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器起到舉足輕重的作用。電機(jī)在我們生活中已極其普遍，現(xiàn)安裝電機(jī)約有上億臺(tái)，每年新增部署約千萬臺(tái)

伺服系統(tǒng)在工業(yè)系統(tǒng)扮演著重要角色，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過收集和傳輸電機(jī)數(shù)據(jù)，有效的支持了數(shù)字化轉(zhuǎn)型和敏捷生產(chǎn)，并且通過提高部署電機(jī)的能效以減少碳排放來對可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。工業(yè)消耗的能源約占總能源的30%，而電機(jī)消耗了大約70%的工業(yè)能源，如果每臺(tái)電機(jī)通過適當(dāng)?shù)呢?fù)載匹配及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都以盡可能高效的方式驅(qū)動(dòng)，全球能源用量則有望減少10%。

ADI最新上線的解決方案《ADI面向高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)控制解決方案》從工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)電機(jī)控制中的電流反饋、工業(yè)以太網(wǎng)連接以及網(wǎng)絡(luò)安全四個(gè)方面，為大家介紹了智能運(yùn)動(dòng)的全套解決方案。

一 工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)

工業(yè)中絕大多數(shù)電機(jī)都直接連接到交流電網(wǎng)，并以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而電機(jī)變速運(yùn)行可以節(jié)省大量系統(tǒng)能源。變速電機(jī)推動(dòng)著逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變：雖然開環(huán)逆變器系統(tǒng)控制精度有限且足以支持許多應(yīng)用，但包含位置和電流控制器的變速驅(qū)動(dòng)器可為要求更高的應(yīng)用提供更佳的性能，也對電機(jī)速度和扭矩的精密控制有利。不同系統(tǒng)在控制性能方面差異較大，在復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械中不同系統(tǒng)可組合使用并以同步方式運(yùn)行。

變速驅(qū)動(dòng)器和以此為基礎(chǔ)的多軸機(jī)械的主要趨勢是朝著更廣泛、更透明的互聯(lián)互通邁進(jìn)，如今表現(xiàn)為在更廣泛的工業(yè)系統(tǒng)中通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，這給控制、實(shí)時(shí)洞察和生產(chǎn)力帶來了巨大的優(yōu)勢，但也提出了與網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的新挑戰(zhàn)。

圖1：變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)框架概述

圖1框圖示例了中高性能變速驅(qū)動(dòng)器的典型信號鏈，大體有幾大主要模塊：

高壓電源

控制電源

編碼器

控制器

三相逆變器

信號隔離

安全控制

安全連接

逆變器及控制信號關(guān)鍵元件概述

在逆變和控制信號鏈中，ADI擁有廣泛的產(chǎn)品線且提供了系統(tǒng)魯棒性，圖2示出了信號鏈中的若干關(guān)鍵器件：

電流檢測

編碼器

編碼器RS485接口

控制器

工業(yè)以太網(wǎng)連接

電源

圖2. 逆變器及控制信號鏈關(guān)鍵元件示例

第一部分中關(guān)于變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)的幾大模塊以及信號鏈中的關(guān)鍵器件，文檔《ADI面向高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)控制解決方案》中都做了詳細(xì)的介紹，建議下載文檔查看。

二 工業(yè)電機(jī)控制中的電流反饋

電流反饋是伺服驅(qū)動(dòng)器整體控制性能的基本組成部分，在進(jìn)行電流反饋路徑的設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意幾個(gè)部分：

1）電流測量需要與PWM周期同步，盡量不將高頻開關(guān)電流紋波引入反饋路徑，通常采用14至16位測量分辨率對至少兩個(gè)電機(jī)相位同時(shí)采樣， 延遲低至微秒級以便控制環(huán)路能夠在電流PWM周期內(nèi)做出響應(yīng)；

2）低失調(diào)漂移是一個(gè)重要特性，這有助于盡可能地減少由相間偏移引起的任何扭矩紋波；

3）電流測量需要被隔離或在較低的電壓系統(tǒng)中進(jìn)行且具有高共模能力。

電流反饋實(shí)現(xiàn)的幾種不同方法

電流反饋的實(shí)現(xiàn)方法并非唯一，大致可以概括為如下幾種：

串聯(lián)分流器檢測

隔離電流檢測

類相分流電阻檢測

電流電壓反饋主要器件及規(guī)格

下面列出了伺服電機(jī)電流和電壓反饋設(shè)計(jì)中若干器件的重要規(guī)格：

ADuM770x：隔離式Σ-? ADC，超低失調(diào)漂移有助于減少扭矩紋波。

ADuM4195-1：用于電壓和電流反饋的新型隔離放大器。通

AD7380：先進(jìn)的雙通道同步16位或14位SAR ADC

AD8411：適用于較低電壓系統(tǒng)的高共模電流檢測放大器

圖3.電流反饋方案示例

第二部分電流反饋實(shí)現(xiàn)的方法、電流電壓反饋主要器件及規(guī)格在問文檔《ADI面向高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)控制解決方案》中均做了詳細(xì)的介紹和舉例，請下載文檔查看。

三 工業(yè)以太網(wǎng)連接

工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變中的關(guān)鍵推動(dòng)因素，使得每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都可以連上IP網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)并接收來自整個(gè)系統(tǒng)的命令。因此，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)具有更大的透明度和洞察力，有助于提高生產(chǎn)力和效率。

ADI擁有廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品組合來滿足伺服驅(qū)動(dòng)器的這些需求，適用于確定性應(yīng)用的可擴(kuò)展以太網(wǎng)解決方案細(xì)分如下：

10/100Mb工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

TSN技術(shù)

單對以太網(wǎng)技術(shù)

以上三種解決方案穩(wěn)健靈活，可連接各種微控制器和/或處理器。下載文檔《ADI面向高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)控制解決方案》查看有關(guān)以上三種技術(shù)的詳細(xì)說明。

四 網(wǎng)絡(luò)安全

聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器更加智能，但也會(huì)比傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器遭受更多的網(wǎng)絡(luò)攻擊，在網(wǎng)絡(luò)安全方面存在極大隱患的同時(shí)，系統(tǒng)也可能面臨不同類型的威脅：

第一類威脅可能是惡意軟件的威脅

第二類威脅可能是來自不可信來源的命令

第三類威脅可能是竊聽威脅

最新的一類威脅是竊取知識(shí)產(chǎn)權(quán)

關(guān)于以上四類威脅的詳細(xì)介紹，請下載文檔《ADI面向高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)控制解決方案》進(jìn)行查看。

加密

既然聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器易于受到威脅，那需要采取哪些技術(shù)來保護(hù)設(shè)備免受網(wǎng)絡(luò)攻擊？

方法之一就是通過加密來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。一般采用對稱加密，這是保護(hù)數(shù)據(jù)的最快方式。

另一個(gè)重要加密技術(shù)是身份驗(yàn)證，與對稱加密相反，非對稱加密可以更好地實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證，采用ECDSA P256機(jī)制進(jìn)行。

非對稱密鑰案例說明

為了清晰的了解身份驗(yàn)證，圖4案例形象的示出了流程過程。流程說明請查看文檔文檔《ADI面向高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)控制解決方案》。

圖4. 使用非對稱密鑰進(jìn)行身份驗(yàn)證ECDSA-P256案例

安全認(rèn)證器

ADI提供的安全認(rèn)證器保障了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的安全性，認(rèn)證器通過I2C或SPI接口連接到微控制器。這些認(rèn)證器是預(yù)編程設(shè)備，其功能對任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性都至關(guān)重要。認(rèn)證器需要達(dá)到三個(gè)關(guān)鍵的安全目標(biāo)（圖5形象地給出了說明）：

設(shè)備信任

安全存儲(chǔ)

安全通信

圖5. 安全認(rèn)證器可確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安全

關(guān)于設(shè)備信任、安全存儲(chǔ)以及安全通信的詳細(xì)介紹及相關(guān)器件推薦，請查看文檔文檔《ADI面向高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的可持續(xù)運(yùn)動(dòng)控制解決方案》。

智能運(yùn)動(dòng)是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，電機(jī)及其電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在信號鏈中處于重要地位。任何解決方案都要確保電機(jī)可以精準(zhǔn)、可靠、安全地工作。ADI憑借深厚的技術(shù)積累，針對伺服驅(qū)動(dòng)信 號鏈，就精密電流和位置反饋、信號和柵極驅(qū)動(dòng)隔離、電源管理、機(jī)器健康和數(shù)字安全，提供了完整的全套解決方案，助力客戶解決復(fù)雜多樣的系統(tǒng)難題。