面向伺服驅(qū)動器的運動控制解決方案

以下文章來源于亞德諾半導體 ，作者ADI

智能運動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、擠壓沖床再到機器人，電機及電機驅(qū)動器起到舉足輕重的作用。電機在我們生活中已極其普遍，現(xiàn)安裝電機約有上億臺，每年新增部署約千萬臺

伺服系統(tǒng)在工業(yè)系統(tǒng)扮演著重要角色，電機驅(qū)動器通過收集和傳輸電機數(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%，而電機消耗了大約70%的工業(yè)能源，如果每臺電機通過適當?shù)呢撦d匹配及電機驅(qū)動器都以盡可能高效的方式驅(qū)動，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)動器的可持續(xù)運動控制解決方案》從工業(yè)電機控制系統(tǒng)、工業(yè)電機控制中的電流反饋、工業(yè)以太網(wǎng)連接以及網(wǎng)絡安全四個方面，為大家介紹了智能運動的全套解決方案。

一 工業(yè)電機控制系統(tǒng)

工業(yè)中絕大多數(shù)電機都直接連接到交流電網(wǎng)，并以固定轉(zhuǎn)速運行，而電機變速運行可以節(jié)省大量系統(tǒng)能源。變速電機推動著逆變器驅(qū)動電機系統(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用，但包含位置和電流控制器的變速驅(qū)動器可為要求更高的應用提供更佳的性能，也對電機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，在復雜的工業(yè)機械中不同系統(tǒng)可組合使用并以同步方式運行。

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

圖1：變速電機驅(qū)動器架構(gòu)

變速電機驅(qū)動器系統(tǒng)框架概述

圖1框圖示例了中高性能變速驅(qū)動器的典型信號鏈，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)于變速電機驅(qū)動器架構(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)動器的可持續(xù)運動控制解決方案》中都做了詳細的介紹，建議下載文檔查看。

二 工業(yè)電機控制中的電流反饋

電流反饋是伺服驅(qū)動器整體控制性能的基本組成部分，在進行電流反饋路徑的設(shè)計時，需要注意幾個部分：

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電機相位同時采樣， 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；

2）低失調(diào)漂移是一個重要特性，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)中進行且具有高共模能力。

電流反饋實現(xiàn)的幾種不同方法

電流反饋的實現(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電流和電壓反饋設(shè)計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)動器的可持續(xù)運動控制解決方案》中均做了詳細的介紹和舉例，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)自動化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變中的關(guān)鍵推動因素，使得每個伺服驅(qū)動器都可以連上IP網(wǎng)絡，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)并接收來自整個系統(tǒng)的命令。因此，整個生產(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)動器的這些需求，適用于確定性應用的可擴展以太網(wǎng)解決方案細分如下：

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)動器的可持續(xù)運動控制解決方案》查看有關(guān)以上三種技術(shù)的詳細說明。

四 網(wǎng)絡安全

聯(lián)網(wǎng)的電機驅(qū)動器更加智能，但也會比傳統(tǒng)電機驅(qū)動器遭受更多的網(wǎng)絡攻擊，在網(wǎng)絡安全方面存在極大隱患的同時，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產(chǎn)權(quán)

關(guān)于以上四類威脅的詳細介紹，請下載文檔《ADI面向高性能伺服驅(qū)動器的可持續(xù)運動控制解決方案》進行查看。

加密

既然聯(lián)網(wǎng)的電機驅(qū)動器易于受到威脅，那需要采取哪些技術(shù)來保護設(shè)備免受網(wǎng)絡攻擊？

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

另一個重要加密技術(shù)是身份驗證，與對稱加密相反，非對稱加密可以更好地實現(xiàn)身份驗證，采用ECDSA P256機制進行。

非對稱密鑰案例說明

為了清晰的了解身份驗證，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)動器的可持續(xù)運動控制解決方案》。

圖4. 使用非對稱密鑰進行身份驗證ECDSA-P256案例

安全認證器

ADI提供的安全認證器保障了電機驅(qū)動器的安全性，認證器通過I2C或SPI接口連接到微控制器。這些認證器是預編程設(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。認證器需要達到三個關(guān)鍵的安全目標（圖5形象地給出了說明）：

設(shè)備信任

安全存儲

安全通信

圖5. 安全認證器可確保電機驅(qū)動器安全

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

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