高创传动：直驱技术的发展趋势与挑战

本文图片来源 ：高创传动

作者 | 宋宁一

现如今，直驱技术在半导体设备、3C电子、CNN机床等，对运动控制精度和稳定性要求较高的行业中得到了广泛应用。然而，为应对客户对提高产能、缩短交期等的严苛需求，直线驱动器也面临着新的机遇与挑战。

在智能制造时代，直线电机和直线驱动器应该要具备哪些特性?为应对更复杂的控制应用场景需求，如何提升直线驱动器的应用价值?

请看美的工业技术高创传动直驱产品经理宋宁一，在2022(第十一届)全球自动化和制造主题峰会上的演讲。

直驱技术被国外工业界称之为现代驱动技术中的先进方法和技术，被越来越多地应用到各行业中。作为直驱技术最主要和关键的部分即为直驱式旋转电机(DDR)和直驱式直线电机(DDL)，它不是简单的将旋转电机或直线电机搬到系统中去，而是要将这两种电机根据不同的系统和工况进行系统的创新设计。

随着用户对直线电机的需求与日俱增，直驱产品的每年增长率大概在6%左右。相较于传统的伺服电机驱动，直驱运动有以下优缺点：

首先是运动速度快，同时有很小的摩擦力，系统的刚性也非常好。此外，结构简单，避免为了提高精度而使用第二编码器的同时，也有维护性好、可长时间稳定运行、精度更高等优点。

但是相对于传统的伺服电机，它的制造成本会高一点。同时由于直线导轨摩擦力小，就需要更好的控制算法进行控制。为了提高系统的刚性，还需要高增益及抑制震动，整定时间要求相对也高。同时，为了实现高精度和高分辨率，需要相应的编码器提供支持。

▲直驱的应用场景

直驱技术广泛应用在传统的半导体设备、跟视觉搭配的检测设备、焊线机、平板显示和3C，这类对精度和效率要求很高的行业。当然，为了提高机台的运行速度和精度，现在在CNC机床也开始应用直驱产品。除此之外，还有光伏、锂电、高速搬运等领域，直线电机也成为了许多用户的首选。

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直线电机的控制难题

当然，直线电机对于控制的要求也非常高，首先要求高速、整定时间短，特别是在如焊线机等取放应用中，运动过程控制一定要稳定、速度波动小。在激光或检测领域，同时对于定位精度的要求也非常高，还有一些特殊的应用，要支持位置比较输出功能等。

在特殊的应用结构中，例如龙门就需要驱动器提供更好的支持，这需要产品开发出特别算法来做支持。为此，非线性运动控制或基于频域线性分析，成为了直驱控制方式的最佳选择。

传统的手段是三环控制，即电流环、速度环和位置环。这种控制方式有自身的优缺点，比如它的PI、PID有固定的误差，如果增加前馈会增加它的超调和整定时间。而采用HD(非线性控制)方式就可以克服这一困难，能把速度环跟位置环合二为一，最大程度提高系统的响应带宽。

同时，凭借自适应的增益矩阵，可以根据位置、速度误差进行自适应，为企业提供最佳的控制方式、最小的整定时间，并达到最佳的控制效果。值得一提的是，高创传动的CDHD系列产品可以同时支持线性控制及非线性控制。

此外，共振抑制是控制的常见难题。如果没有开启共振抑制，会让机台末端一直抖动，没法很好地控制误差。为此，高创传动专门开发了可以立即触发共振抑制的功能，用主动阻尼的方式实现了共振的消除，并针对震动设置了多达三组的共振抑制点，以实现最优效果。

▲未开启(上图)和开启共振抑制对比

针对各种复杂控制应用场景的要求，我们提出了用频率分析的方式，对系统进行扫频分析，以实现优化控制。我们采用了多项式的线性控制算法，分别设置它的零极点，根据频率的模型进行自动调试设计。

一般可分成几个步骤：第一步扫频，用信号注入白噪声，对系统进行频率分析，通过设置不同的频率范围，涵盖整个机台响应的频率点，且需要考虑克服摩擦力的影响，以得到更精准、更可靠的频率分析图。

采样得到频率分析图后，我们就可以进行数学建模，根据共振点设计零极点的数目，并找到合适的模型匹配，在模型中就可以看到零点、极点以及频率和幅值的带宽。

根据生成的图形，我们为了方便客户使用，会采用自动生成控制参数的方式，自动匹配对应的滤波器，同时，也可以根据系统的闭环特性和实际效果进行微调，以最大程度地提高机台性能，简化客户的使用体验。

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直线驱动器的应用实例

众所周知，龙门控制是一个比较有挑战的应用场景。现在随着机台越做越大、要求越来越高，龙门成为了提高系统机台速度、加速度以及负载能力的常见方案，它的控制也是一大难题。

首先，龙门要求两个轴能在高速运行过程中中互不干扰。高创传动提出用交叉解耦的控制方式，实现两个轴的完美同步，并减少30%工作中的消耗电流，同时支持柔性及刚性龙门，而驱动器间则采用10Mb/s的龙门通信线进行信息传输。

位置误差补偿是提高系统精度的法宝。高创传动的驱动器可以内建位置误差补偿，支持1000个补偿点，同时支持直线和旋转电机。为了更好的客户体验，激光干涉仪产生的文件也可以不需要做任何修改，一键导入到驱动器中，最大程度方便客户的使用。采用了误差补偿之后，也可以极大提高系统的绝对精度。同时，控制器也可支持三维空间的位置误差补偿。

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直线驱动器的未来发展趋势

未来，随着用户对控制的要求越来越高，运动控制的挑战也越来越大。经济的高速发展，使得机械制造的成本逐渐降低，产能提高、交付缩短、开发周期变短，让企业更迫切地需要更高的精度和更少的维护。

同时，厂商也更倾向于使用更好的设备、更好的控制条件来满足自身需求。这也势必会让机器向轻型化发展，机械结构也将更加柔性灵活，这也将加大对驱动器和控制器的要求。不仅如此，机械设备种类变化快、规模大，也要求驱动器、控制器需要自动调试，不断提高应用性。

以直线电机在机器人领域的应用为例，直线电机的加入，可以更好地提高传统机器人的响应速度。此外，传统的Delta机器人都是伺服来带的，当加上直线电机驱动后，也可以大幅提高这类机器人的精度和速度。

不仅如此，LMS系统也是目前行业内的热门领域，可以替代传统的传输带。其电机形式也比较新颖，采用定子运动、线圈固定的方式，而线圈会根据定子进行驱动，控制上就要求控制器、驱动器以及编码器的一体性，对实时性和稳定性的要求更高。为此，更强大的驱动器和控制器已成为企业的刚需。

未来在易用性方面，我们需要自动调试、一键自整定，实现调试参数的最优化;在稳定性层面，驱动器产品要更加稳定可靠，特别是解决干扰和通信的问题;此外，对于第三方的支持也一定要广泛，特别是连接传感器、视觉等第三方核心工艺器件，都要让客户可以简单地连接使用。

在控制层面，我们需要集成更高阶、更丰富的算法，来实现各种应用、各种领域的更好设置和最佳性能。为应对许多用户对即插即用的需求，简单的接口和良好的用户界面是一大法宝。同时，我们的机台系统驱动器、控制器要可以像子系统一样，嵌入到客户的机台中，逐渐缩小尺寸，简化布线。

▲更强大的运动控制器

随着未来工业的发展，工业4.0时代的驱动器、控制器要更加智能化，且要拥有更强大的数据分析、处理和云端的能力。对于高端应用，解决方案要聚焦在提高稳定性能和适应能力，在低端应用场合，则需要更注重易用性、即插即用和简单直观的用户界面。