伺服电机的DNA

伺服电机是机器人和机床中的关键技术,Mogan Swamy在本文中介绍了该项技术的发展情况。

电机的应用是工业界的革命,它减少了对人力和牲畜的依赖,让我们的生活变得更加方便、舒适、安全,生产也更加高效。今天,工厂的车间到处都装满了电机,以及从电机衍生出的更先进的设备,比如伺服驱动和运动控制器。这些产品反过来提供了更多的安全性能,比如安全降速、安全停机等等。

但是尽管电机的应用遍布家电和包装机械,它最基本的功能仍然没有发生改变,就是将电能转化为机械能。其工作原理就是通过电流(或者磁场)感应产生机械力,驱动电机。第一台电力驱动设备的出现已经是200年前的事情了。

最初的这些设备距离现在的数字伺服电机技术还是相差甚远。新的技术已经将应用领域扩展到了包装机械、工厂自动化的专业机械应用当中。

与生俱来

最早的伺服电机一般都是直流型的,随着高效晶体管的问世,它们才可以控制更大的电流,在更高的频率上转化大电流,这也就是交流伺服电机越来越流行的原因。

但是现在伺服电机的源头还是可以追溯到直流电机。直流电机的速度或者功率正好与“占空比”的概念吻合,即使用脉冲宽度调节(PWM)技术来控制电机的功率。

伺服电机系统同样应该能够做到这一点,而且还不仅如此,比如还可以在不出现过热的情况在速度在一定范围内变化、零速度运行、保持足够的扭矩将负载控制在某一位置、超低速长期运行不出现过热情况等等。

为了满足上述这些需求,电机的设计主要包括四个部分:马达、齿轮减少箱、位置感应设备和控制电路。它还使用三线连接(和直流电机的两线连接不同),分别用来供电、接地和控制。

采用固定功率,伺服驱动(也可以被称作放大器)装备相应的电子元件,将交流电转化为直流电驱动马达。和直流电机一样,控制信号的脉冲宽度可以调整,但是脉冲的持续时间会决定伺服电机主轴的位置。

伺服驱动的功能是用来采集表示伺服主轴理想输出位置的控制信号,为马达供电直到主轴到达该位置。接下来,伺服驱动采用位置感应设备确定轴的旋转位置,这样它就可以了解电机应该如何工作才能将轴移动指定位置。

为了避免过热情况的发生,电机还装有风扇,提供冷空气。风扇采用固定电压的电源供电,这样在任何时候,无论伺服电机的运行速度如何,风扇的速度都不会打折扣,绝大多数伺服系统都可以采用直流和交流电压供电,但是在使用交流电的时候需要非常谨慎,要保证齿轮减速箱能够从静止位置快速的移动大型负载。在电机箱体中安装编码器或者解码器也是非常明智的选择,这样可以准确的显示电机主轴的位置或者速度。

挑选原则

没有选择好伺服电机,会导致糟糕的系统性能。不幸的是,在选择伺服系统元件的时候并没有什么捷径可走,因为在当前的市场上的电机、供电传输设备和其他周边元件都有很多种类型,并且非常复杂。

然而,选择的时候最主要考虑的因素还是负载和成本问题。如果成本确定,伺服电机的负载就可以根据其速度、峰值扭矩和扭矩规格以及其齿轮排列方式确定。

这样可以简化挑选的过程,因为负载的要求可以转化为电机主轴上的负载当量,用来计算电机总的扭矩需求。

如果齿轮比已知,最大负载速度就可以转化为最大的电机速度。然而,最大的电机速度只有在做出最终选择之后才能够知晓,而对于绝大多数电机而言,最大速度上拥有的扭矩一般要小于失速扭矩。因此,在做出最终选择之前,最好需要一个反复的过程。

但是电机的性能也会受到驱动的影响,在这里必须要考虑系统的速度扭矩关系。在选择驱动的时候,应该能够为电机提供足够的电流和电压,同时满足负载峰值和扭矩的要求。

根据拇指定律,由于系统负载的变化,理想情况下一般使用最大电机速度和电机额定的峰值扭矩,而不是计算得到的系统要求。可以在最开始的时候选择最大的电机速度以及能够将最大负载速度转化为最大电机速度一半的齿轮比。

在这个步骤当中,可以在最大速度上得到几乎连续的失速扭矩,而电机可以在这个速度上可靠的运行,不需要经常进行维护,也不会由于轴失效出现故障。

然而,还有其他的约束条件决定齿轮比。其中之一就是轴的共振频率。在设计的早期必须要进行考虑,才能消除意外和负面的伺服表现。如果没有这样做,可能就会因为不必要的振动造成系统的严重破坏。

除此之外,如果有不止一台伺服电机在运行当中,电源的额定输出功率就必须要等于或者超过所有同时运行的伺服驱动的平均功率之和。必须要强调的是,每一个伺服驱动的平均功率是根据扭矩和速度计算得到的。

还需要提醒工程师注意的是,伺服电机既可以是直流也可以是交流的,基本上伺服系统的电源是传送直流电给伺服,主要是传送给放大器。通过对主干网上交流电进行整流和滤波完成传输程序,但是这一程序也需要取决于选择的指定伺服放大器。电源可以内置在驱动内部,这样就不需要选择程序了,而对于外置的电源则需要进行选择。

并且,伺服驱动的直流电源还包括有分流再生电路,在电机快速减速的时候将负载中的再生能量分散。这就是再生过程,在“展开”应用当中,如果电机的旋转与需要的扭矩相反,也可以这么做。

有两种方法可以用来将再生电能分散。一种称为“线再生”,可以将直流电转化为交流电。然而,这种方法成本高昂,更加常见的方法是分流或者电阻再生。

该项技术与线再生相比,还可以处理更大的转换负载,已经称为大多数作为电源一部分的低功率伺服系统的常见特性。一般情况,都是采用功率电阻的直流总线短路或者分流实现。 

全部型号

改变电机的直流电压,就可以改变它的速度。但是如果需要进行速度控制,电机就需要在任意一个方向上运转、停顿或者保持扭矩、或者停机不再产生扭矩,接下来就需要其他形式的电机输入。幸运的是,今天的技术已经可以让电机有很多种型号,满足各种需要。

绝大多数伺服系统现在都装有控制器,通过操作界面驱动。数字伺服电机控制器可以向驱动伺服电机的伺服(驱动)放大器发送信号,直接操控伺服电机。这些信号分为两种:模拟速度指令(使用最为普遍)和脉冲类型界面(正越来越受欢迎)。

反馈设备,比如编码器和转速计,可以集成到伺服系统当中,一般主要放在驱动上面或者远程加载到负载上面。它们可以提供伺服电机的位置和反馈信息,这样控制器就可以将这些信息与设定好的运动参数进行比较,并使用设定参数替换信号。

伺服系统的一个重要属性就是运动参数,这是一系列控制器中编译好指令,定义了伺服电机运行的时间、位置和速度。有一些伺服电机还带有扩展控制算法,可以减少定位稳定时间。当然,机床对这个时间的要求可能并不是很严格。除此之外,还可以使用高解析度串联编码器提升定位的准确度。

从这一点上来说,伺服系统的性能可以根据运动参数与反馈信号之间的差异进行调整,它在很大程度上要取决于使用的控制和马达的类型。比如说,如果伺服电机使用的是闭环控制系统,其中控制变量需要发挥作用,还需要闭合电流和速度控制环,但是这还不够,还需要伺服电机的位置闭合。

现在这已经成为可能,电机的参数已经设好,然后下载到电机当中,这样电机就可以独立运行。编译好的伺服可以通过数字和模拟I/O与机器的其他部分连接。

并且,在利用分布式I/O控制和马达功能方面,伺服电机还可以跟得上机床和系统设计的趋势,。伺服电机现在可以将上述两个功能都集成到一台电机中,作为控制器区域网络上一个单一的节点。这些I/O接下来可以提供操作员和维护工程师所需要的高质量诊断信息。

通过控制器,还有可能提供带有故障精确位置、清晰定义责任并且包含有“根本原因”的文本信息。这可以保证车间中的生产快速重启,将停机时间缩到最短,同时提升机器的生产效率。

在绝大部分情况下,该电机都是一款从动电机,其运动受到主电机的控制。这种控制使用OEM的专门对象词典或者标准化的“开放式”驱动参数。主控制器可以通过控制器区域网络连接每一台电机的I/O,这样就不再同时需要分离的I/O模块和PLC。

但是现在,伺服电机也拥有在一个拥有其他几台电机的网络中担任主机。它们可以随意编译,不需要高水平的控制器。这也就是说,它们可以完全根据应用需求进行定制。

演化过程

伺服电机一般需要进行必要的修改,才能满足机床复杂的要求。因此,各种控制原理,包括CNC、运动控制、顺序控制、可视化平台之间的边界变得越来越模糊了。

然而,到底是中心式还是非中心式的架构对于伺服电机是最佳选择,还需要根据具体的任务以及相关电机的基本性能指标来衡量。很多情况下,非中心式的拓扑结构是周期性过程的良好选择,这其中包括大量的自主单元。相应的实现控制系统的模块化也是一个不错的想法,这些系统主要在物料抓取的应用中使用。

另一方面,中心式控制器还可以作为在车间中与其他现场总线、抓取运动和逻辑连接的网关。但是,中心式控制最主要的好处还是比较实用,它的操作软件比较直观,可以使用通用标准,比如IEC 61131-3。

然而,流程的改善还是支持使用非中心式控制平台,执行复杂的控制和运动功能,比如先定位,然后允许简单的同步运动序列,同时要求元件的成本最低。

但是,这个架构经常会在超过四个轴的运动中碰到应用的限制。比如在机器人控制、包装机械和抓取系统中都会出现这个问题。这些应用需要强大的中心控制系统,协调在很多个轴上的运动。

并且,在系统设计领域,中心式架构还具有一致性更好。更加容易理解的优势。这也就是说,只需要设计开发一套控制程序。即便是这个程序的应用非常的繁琐,接下来的试车也会相对简单,只需要在一台设备上安装控制应用并进行维护。

然而,从电源的角度看,架构选择还需要考虑功能性和自动化解决方案的成本。而且受到该领域中使用软件的影响也越来越大。工程师们正在探索使用全新以对象为导向、采用即插即拔技术的CoDeSys,优化并拓展标准系统,同时保证自动化系统中安全可靠的连续运行。

举例来说,在应用运动控制的时候,有基于PLCOpen第一部分和第二部分的认证运动模块资料库,以及实施电子齿轮组和3D数控机床或者机器控制的功能资料库,所有这些都不需要花费额外成本。

但是,关注成本的伺服电机用户还是希望不要购买那些他们并不需要的控制特征和功能。这看起来有点自相矛盾,因为正是技术进步让伺服电机现在有了很多选择,因为伺服驱动中可以应用很多不同的功能,人们也更喜欢将电机做成一款“功能齐全”的产品。

另外一方面,如果企业希望保持市场竞争力,他们并不愿意为不需要的特征和硬件买单。他们必须要做出决策,为具体的应用定制伺服驱动的功能,并根据这些功能压低价格。

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