此文是高創傳動科技開發(深圳)有限公司產品總監張仕杰在12月17日智能制造&中國運動控制/直驅行業發展高峰論壇直驅分論壇的主題演講《直線電機的驅動器前沿技術與發展趨勢》整理。

正文|直線電機的驅動器前沿技術與發展趨勢

各位好，我是高創的廠家代表張仕杰，今天由我代表高創公司來講一下對于直線電機前沿技術課題的一個理解。高創傳動科技公司成立于1987年，到現在33年，它在2011年進入中國。

從旋轉運動到直線運動

有關驅動器發展趨勢，我覺得需要從頭說起。無論是伺服電機，還是直線電機，本質上是能量轉化。過去旋轉電機是轉化為機械能的方式需要有驅動器驅動電機，為了達到控制的目的，需要通過機械傳動的方式傳動它，所以就需要要皮帶、齒輪、齒條等。直線電機也是一個道理，本質上還是電能轉化為機械能，只是說沒有這些結構，它的結構不太一樣。

我們認為每一種傳動方式有其特點。這些特點有一些可能是優點，有一些可能是缺點。無論是優點，還是缺點是相對的，不是絕對的概念。

所以機械傳動的問題點，我更愿意把它叫做特點。由于結構特點，會給用戶帶來一些成本或者不方便的地方，包括可靠性，包括摩擦，包括需要維護，還有一些精度的問題。精度的問題，因為可能部件很多，所以會有傳導誤差，所以需要增加一些補償功能。

機械傳動裝置的問題點

可靠性:機械傳動裝置長時間會磨損及有限的壽命

摩擦:降低了效率，產生熱量，對整體控制造成影響

潤滑劑:需要定期維護

精度:齒輪機械傳動精度受限，所以在高精度的直線傳動場合往往需要補償功能或增加第二編碼器

反向背隙:咬合部件間的“自由”導致精度問題及控制限制

靈活性:金屬齒輪增加了靈活性-同時會帶來彈簧效應會帶來共振和震動

成本:增加了系統成本

系統復雜:部件多，增加問題發生率MTBF

直驅電機開始逐步提升市場占有率并取代傳動機械傳動結構

早期直線電機這個東西，在高端行業，包括CNC，貼片機、焊線機、半導體、光伏行業用了很多年。現在生產工藝的進步，使得成本降低了很多。直驅市場占有率在逐步提高，可能取代一部分機械傳動的結構。

隨著直驅產品的普及和應用，在其高速度、高精度、摩擦小、壽命長、部件少、高剛性系統等優勢被市場熟知外，其問題點也更多地被暴露。

直驅產品較之傳統的驅動產品生產成本仍然較高

（1）需要更多的磁鐵以及較高的組裝成本。

（2）線性軸承帶來的高成本

（3）由于沒有摩擦使得其對控制算法結構的要求更高。

（4）由于電機與負載直連，需要更高的控制增益及振動抑制。（5）高速和高精度的特點使之對整定時間的要求更高。

（6）需要更高分辨率和精度的編碼器。

高創傳動解決方案

高創對于這樣的結構，以及這樣的電機，針對于驅動機三個需要的核心要素，是有一些解決方案的。

第一個我們有一個算法，我們叫HD—Loop，這個是解決高增益和降低整定時間的算法；還有一個用于振動抑制；第三個是支持高分辨率的反饋。三個點會持續存在，當你的電機改變的時候，我們要調整這些東西，但是大體的結構不會變。

高創驅動器里面有很多算法，針對高速高精度的運用開發了一個算法，因為高創接觸直驅電機比較久。這一塊的數據收集比較多，所以開發了一種自適應非線性控制算法，我們叫HD—Loop，所有分支工作在同一個優先級并工作在各自的采樣周期。再一個分支都有一個可變增益參數，該參數會自動優化以獲取高增益和穩定度。這四個增益，或者是自適應增益參數的話，對于能夠獲取最小的誤差，以及整定時間是最核心的幫助，可以使得這個得到極大的優化。

這套算法在理論上優于其他類型控制器的算法，我們把驅動器里面的環路叫控制器。基本上要控制一個東西要形成閉環，所以稱為控制器。簡而言之，通過這個東西可以得到最小的位置誤差，以及接近于0的整定時間。我們有些案例的確做到0的整定時間。換句話說，需要負載在規定的時間，到達規定的地點，我們這上面叫位置誤差和整定時間。

剛才的東西是為了解決位置誤差和整定時間，那這個東西就是為了解決震動。振動會直接傳遞到電機上，當它傳遞到電機上，電機會有感知，通過采取電流和采集反饋數據進行預播，我們就可以知道目前震動是在什么樣的頻率范圍。我們就在里面做了一個閉環，去等同于這個頻率對沖掉，這個就是震動抑制。

從整體看得到顯著完善，這樣的環路可以做很多個。換句話說，可能你的震動點可能有很多個，所以使得它比較穩，比較快。這是第二個核心的先進控制算法的震動抑制。

直線電機未來發展趨勢

關于趨勢，我們覺得趨勢的部分一定是跟大環境相關，直線電機未來的趨勢會怎么樣，或者做成什么形態，我覺得不是很重要，因為跟應用場景相關。在中國的東西，它會有符合中國應用的場景，以及符合中國應用的商品。

符合中國應用的發展驅勢

（1）中國經濟的高速發展迫使機器的成本降低，產能提高/交付縮短/開發周期短，需要更好的精度和更少的維護。

（2）中國設備制造商更加激進敢于冒險，其結果是-機器更輕量化，機械結構更柔性靈活—>使得更加難以控制-加大了對于驅動和控制器要求。

（3）機器設備種類趨勢變化快，規模大-需要自動調試和易用性。

我們的驅動、運動控制器、電機怎么辦？一定要放在大環境里面考慮問題，才能把發展方向想清楚，這是我們的看法。

對于驅動器和運動控制器的角度，因為現在的芯片已經足夠強大，它不再像以前，可能只能做有限的東西，半導體和集成電路的發展非常快，既然芯片已經很強大了，我們不應該用非常新的芯片做老的設計方案。所以我們要改變，這個改變是為了適應相關的需求。

驅動和控制的邊界慢慢會越來越模糊，可能會慢慢融合在一起。

驅動和控制融合所需要達到的目的

（1）易用性。

（2）穩定性。

（3）連接傳感器視覺以及其他第三方核心工藝制程器件。

（4）集成更高階而豐富的算法。

（5）簡單接口及用戶界面，即插即用。

（6）類似“子系統”的嵌入式系統。

（7）盡量少的線纜及小型化尺寸。

（8）更加智能化，強大的數據收集和處理、云端系統。

電機未來的方向是什么？

從我們角度來看是機電一體化。長期以來，我們銷售驅動器給直線電機公司，直線電機公司再銷售給客戶端，但是實際上銷售的意義遠大于集成的意義和方案的意義。直線電機公司不一定理解驅動器，驅動器不一定理解直線電機公司，兩個加起來不一定理解現場應用場景。如果這個壁壘不打破，最后沒有辦法服務好客戶。

從我的角度來看，我們賣東西給客人，不是為了賺客人的錢。比如說賣東西給設備商，我們不是為了賺錢。我們賣的東西跟消費品不一樣，如果賣一臺手機給終端用戶，這是我賺它的錢，因為它拿過來是為了使用。我們賣東西給設備商，設備商拿到以后要再賣出去賺錢。我們目的是幫助設備商賺錢，然后分享其中一部分，這是我的理解。要達到這樣的目的，怎么樣幫終端用戶賺錢。

我們原來出現很多例子。直線電機說這不是我的問題，是驅動電機的問題。驅動電機說這是直線電機的問題，會有互相之間的扯皮。我覺得本質是墻沒有打破，互相之間要融合。

這里舉一個例子，比如說誤差補償表。

我們直線電機有加溫過高，所以用軟件補回來，這就降低了生產制造的成本，同時降低了個人服務的需求，這個就是機電一體化，同時也有附加值。剛才是1D的，這個是3D的。

理論上我們可以做到6D，就是6個維度。右邊是給齒輪公司做的系統，因為齒輪非常大，要檢查非常細微的精度，它整個的測量設備有誤差，我們就做誤差補償的算法。整個系統做到12張表進去，可能一個直線電機需要1張表。這樣做之后極大提升精度，使得整個成本下降。

像這樣的東西，我認為都是機電一體化的產物。不單單是高創公司，我認為大部分公司的接口都會越來越豐富，所以我覺得發展趨勢的核心是機電一體化。這種機電一體化需要電機公司跟軟件公司，跟驅動性公司，以及運動控制公司緊密合作。

這種合作首先是人上面的合作，以及支持架構下的建立需要更多的交互，而不是你干的，我干我的，需要更多的交流，我想這是直驅聯盟組織會議的目的。未來會非常好，但是需要多交互，尤其是機電一體化，這是我們對未來的理解。

圖：演講人高創傳動科技開發(深圳)有限公司產品總監張仕杰