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一文帶你了解伺服選型全過程，再也不怕買錯(cuò)啦
伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型所涉及到的產(chǎn)品主要包括：用于對系統(tǒng)中各軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制的自動(dòng)化控制器；將電壓、頻率固定的交流或
直流電轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)所需的受控動(dòng)力電源的伺服驅(qū)動(dòng)器；把驅(qū)動(dòng)器輸出的交變電源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的伺服電機(jī)；將機(jī)械動(dòng)能傳遞到最終
負(fù)載的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)……
考慮到市面上工業(yè)類伺服產(chǎn)品的門派系列有很多，在進(jìn)入到具體的產(chǎn)品選型之前，我們首先還是有必要根據(jù)已經(jīng)了解到的設(shè)備運(yùn)動(dòng)
控制應(yīng)用的基本需求，對包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和減速機(jī)…等在內(nèi)的伺服產(chǎn)品進(jìn)行比較初步的篩選。
這種篩選，一方面是基于設(shè)備的行業(yè)屬性、應(yīng)用習(xí)慣和功能特點(diǎn)從眾多品牌中找出一些潛在可用的產(chǎn)品系列及方案組合。比如：風(fēng)
電變槳應(yīng)用中的伺服主要是槳葉角度的位置控制，但其所使用的產(chǎn)品卻需能適應(yīng)嚴(yán)苛惡劣的工作環(huán)境；印刷設(shè)備中的伺服應(yīng)用以多軸之
間的相位同步控制為主，同時(shí)會(huì)比較傾向于使用具備高精度套準(zhǔn)功能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；輪胎設(shè)備更注重多種混合運(yùn)動(dòng)控制與通用自動(dòng)化
系統(tǒng)的綜合應(yīng)用；塑機(jī)設(shè)備則會(huì)要求系統(tǒng)為產(chǎn)品加工過程中的扭矩和位置控制提供專門的功能選項(xiàng)和參數(shù)算法…。
另一方面，則是從設(shè)備定位的角度出發(fā)，根據(jù)設(shè)備的性能級別與經(jīng)濟(jì)性要求，在各品牌中選擇相應(yīng)檔位的產(chǎn)品系列。比如：如果對
設(shè)備性能沒有太高的要求，同時(shí)又希望能節(jié)省預(yù)算，則可選用經(jīng)濟(jì)款產(chǎn)品；反之，如果對設(shè)備運(yùn)行在精度、速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)…等方面的
性能要求較高，那么自然是有必要為之增加預(yù)算投入的。
此外，還需要兼顧包括溫濕度、粉塵、防護(hù)等級、散熱條件、用電標(biāo)準(zhǔn)、安全級別以及與現(xiàn)有產(chǎn)線/系統(tǒng)的兼容性…等方面的應(yīng)用環(huán)
境因素。
可見，對運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的初選很大程度還是以各品牌系列在行業(yè)內(nèi)的業(yè)績表現(xiàn)為基礎(chǔ)的，同時(shí)，應(yīng)用需求的迭代升級、新品牌、新
產(chǎn)品的入局，也會(huì)對其產(chǎn)生一定影響。因此，要做好運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，日常的行業(yè)技術(shù)信息儲(chǔ)備還是十分有必要的。
在對可用的品牌系列進(jìn)行初步篩選后，我們就可以針對它們進(jìn)一步展開運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型工作了。
此時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)和功能動(dòng)作的復(fù)雜程度，確定系統(tǒng)的控制平臺(tái)和整體架構(gòu)。一般來說，軸數(shù)決定了系統(tǒng)規(guī)模的大
小，軸數(shù)越多，對于控制器容量的要求也就是越高，同時(shí)也越是有必要在系統(tǒng)中使用總線技術(shù)，以簡化和減少控制器與驅(qū)動(dòng)器之間線路
連接的數(shù)量。而運(yùn)動(dòng)功能的復(fù)雜程度，則會(huì)影響控制器性能等級和總線類型的選擇。簡單的實(shí)時(shí)性要求不高的速度和位置控制只需要使
用普通的自動(dòng)化控制器和現(xiàn)場總線；多軸之間的高性能實(shí)時(shí)同步(如電子齒輪和電子凸輪)，則要求控制器和現(xiàn)場總線都具備高精度的
時(shí)鐘同步功能，也就是需要使用能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的控制器和工業(yè)總線；而如果設(shè)備需要完成多軸之間的平面或空間插補(bǔ)甚至集成
機(jī)器人控制，那么對于控制器性能等級的要求就更高了。
基于上述原則，我們基本上已經(jīng)能夠從前面初選出來產(chǎn)品中選出可用的控制器，并將它們落實(shí)到比較具體的型號了；再依據(jù)現(xiàn)場總
線的兼容性，便可從中挑選出可與之匹配的驅(qū)動(dòng)器及對應(yīng)的伺服電機(jī)的選項(xiàng)，但這還只是停留在產(chǎn)品系列的階段。接下來，我們就需要
根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)力需求來進(jìn)一步確定驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的具體型號了。
按照應(yīng)用需求中各軸的負(fù)載慣量和運(yùn)動(dòng)曲線，通過簡單的物理學(xué)公式F=m·a或者T=J·α，不難計(jì)算出它們在運(yùn)動(dòng)周期中各時(shí)間點(diǎn)的
扭矩需求。我們可以將各運(yùn)動(dòng)軸在負(fù)載端的扭矩和速度需求按照預(yù)設(shè)的傳動(dòng)比折算到電機(jī)側(cè)，并在此基礎(chǔ)上加以適當(dāng)?shù)脑Ａ浚鹨煌扑?br />
出驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的型號，快速擬定系統(tǒng)草案，以便在之后進(jìn)入大量細(xì)致繁瑣的選型工作前預(yù)先對備選產(chǎn)品系列進(jìn)行性價(jià)比的評估，從而
縮減備選方案的數(shù)量。
不過，我們并不能將這個(gè)由負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)速需求和預(yù)設(shè)傳動(dòng)比預(yù)估出來的配置作為動(dòng)力系統(tǒng)的最終方案。因?yàn)椋姍C(jī)的扭矩和速度
需求是會(huì)受到動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式及其速比關(guān)系的影響的；同時(shí)，電機(jī)自身慣量對于傳動(dòng)系統(tǒng)來說也是負(fù)載的一部分，電機(jī)在設(shè)備
運(yùn)行過程中所驅(qū)動(dòng)的是包括負(fù)載、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和自身慣量在內(nèi)的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。
從這個(gè)意義上說，伺服動(dòng)力系統(tǒng)的選型，并非僅僅是根據(jù)各運(yùn)動(dòng)軸的扭矩和轉(zhuǎn)速…等傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算去選取電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器(充其量
可稱作估算吧)，而是要為系統(tǒng)中的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸匹配合適的動(dòng)力裝置。原則上它其實(shí)是基于負(fù)載的質(zhì)量/慣量、運(yùn)行曲線、以及可能的機(jī)
械傳動(dòng)模型，將各款備選電機(jī)的慣量值與驅(qū)動(dòng)參數(shù)(矩頻特性)代入其中，比較其扭矩(或力)與速度在特性曲線中的占用情況，找到
組合的過程。大體來說，需要經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟階段：
基于各種傳動(dòng)方式選項(xiàng)，將負(fù)載與各機(jī)械傳動(dòng)組件的速度曲線和慣量映射到電機(jī)側(cè)；
將各備選電機(jī)的慣量與映射到電機(jī)側(cè)的負(fù)載與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣量疊加，結(jié)合電機(jī)側(cè)速度曲線得出扭矩需求曲線；
比較各種情況下的電機(jī)速度扭矩曲線的占比和慣量匹配情況，找到驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、傳動(dòng)方式和速比的組合。
早前“選型的姿勢”一文所描述的其實(shí)就是這樣一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)匹配的流程。
由于上面這幾個(gè)階段的工作是需要針對系統(tǒng)中的每個(gè)軸展開的，因此，伺服產(chǎn)品的動(dòng)力選型工作量其實(shí)是非常巨大的，運(yùn)動(dòng)控制系
統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕大部分時(shí)間通常都會(huì)消耗在此處。前面提到要通過扭矩需求預(yù)估型號，以減少備選方案數(shù)量，其意義也就在于此。
而在完成這部分工作之后，我們還應(yīng)根據(jù)需要確定驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的一些重要的輔助選項(xiàng)才能最終確定它們的型號，這些輔助選項(xiàng)包
括：
如果選用了共直流母線型驅(qū)動(dòng)，需根據(jù)柜體分布情況確定整流單元、濾波器、電抗器和直流母線連接組件(如：母線背板)的型號
；
根據(jù)需要為某個(gè)(些)軸或整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配備制動(dòng)電阻或再生制動(dòng)單元；
旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸是鍵槽還是光軸，是否帶抱閘；
直線電機(jī)需根據(jù)行程長度確定定子模塊的數(shù)量；
伺服反饋協(xié)議及分辨率，增量還是，單圈還是多圈；
…
至此，我們就已經(jīng)將各備選品牌系列在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中從控制器到各運(yùn)動(dòng)軸伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)的型號乃至相關(guān)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵
參數(shù)都確定下來了。
最后，我們還需要為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)選定一些必要的功能組件，例如：
幫助某個(gè)(些)軸或整個(gè)系統(tǒng)與其他非伺服運(yùn)動(dòng)組件進(jìn)行同步的輔助(主軸)編碼器；
用于實(shí)現(xiàn)高速凸輪輸入或輸出的高速I/O模塊；
各類電氣連接線纜，包括：伺服電機(jī)動(dòng)力電纜、反饋和抱閘電纜、驅(qū)動(dòng)器與控制器之間的總線通訊電纜...；
…
這樣，整個(gè)設(shè)備伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的選型工作就基本完成了。
總的來說，設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)中的伺服產(chǎn)品的選型還是一個(gè)比較繁瑣復(fù)雜的過程。尤其是隨著目前制造業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提升，運(yùn)
動(dòng)控制技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用日趨普及，產(chǎn)線設(shè)備中的伺服產(chǎn)品越來愈多，且各項(xiàng)要求也越來越高，這些都讓設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的選型變
得更具挑戰(zhàn)。在這種情況下，引入相應(yīng)的伺服選型工具就顯得十分必要了。當(dāng)然，這就是另外一個(gè)話題了。
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