伺服選型是個怎樣的過程
發布者： admin 時間：2020/7/13 10:46:55
之前咱們談了伺服選型需要了解哪些方面的應用需求，有了這個基礎咱們就可以深入聊聊伺服選型究竟是怎樣一個過程了。
正如我們反復提到過的，伺服是一種為機電設備所需的運動操作提供控制的動力傳動裝置，因此，伺服系統的設計選型，其實就是給設備的機電運動控制系統選擇合適的動力和控制組件的過程，它所涉及到的產品主要包括：
用于對系統中各軸運動姿態進行控制的自動化控制器；
將電壓、頻率固定的交流或直流電轉換為伺服電機所需的受控動力電源的伺服驅動器；
把驅動器輸出的交變電源轉換為機械能的伺服電機；
將機械動能傳遞到最終負載的機械傳動機構；
…
考慮到市面上工業類伺服產品的門派系列有很多，在進入到具體的產品選型之前，我們首先還是有必要根據已經了解到的設備運動控制應用的基本需求，對包括控制器、驅動器、電機和減速機…等在內的伺服產品進行比較初步的篩選。
這種篩選，一方面是基于設備的行業屬性、應用習慣和功能特點從眾多品牌中找出一些潛在可用的產品系列及方案組合。比如：風電變槳應用中的伺服主要是槳葉角度的位置控制，但其所使用的產品卻需能適應嚴苛惡劣的工作環境；印刷設備中的伺服應用以多軸之間的相位同步控制為主，同時會比較傾向于使用具備高精度套準功能的運動控制系統；輪胎設備更注重多種混合運動控制與通用自動化系統的綜合應用；塑機設備則會要求系統為產品加工過程中的扭矩和位置控制提供專門的功能選項和參數算法…。
另一方面，則是從設備定位的角度出發，根據設備的性能級別與經濟性要求，在各品牌中選擇相應檔位的產品系列。比如：如果對設備性能沒有太高的要求，同時又希望能節省預算，則可選用經濟款產品；反之，如果對設備運行在精度、速度、動態響應…等方面的性能要求較高，那么自然是有必要為之增加預算投入的。
此外，還需要兼顧包括溫濕度、粉塵、防護等級、散熱條件、用電標準、安全級別以及與現有產線/系統的兼容性…等方面的應用環境因素。
可見，對運動控制產品的初選很大程度還是以各品牌系列在行業內的業績表現為基礎的，同時，應用需求的迭代升級、新品牌、新產品的入局，也會對其產生一定影響。因此，要做好運動控制系統的設計選型，日常的行業技術信息儲備還是十分有必要的。
在對可用的品牌系列進行初步篩選后，我們就可以針對它們進一步展開運動控制系統的設計選型工作了。
此時，需要根據設備中的運動軸數和功能動作的復雜程度，確定系統的控制平臺和整體架構。一般來說，軸數決定了系統規模的大小，軸數越多，對于控制器容量的要求也就是越高，同時也越是有必要在系統中使用總線技術，以簡化和減少控制器與驅動器之間線路連接的數量。而運動功能的復雜程度，則會影響控制器性能等級和總線類型的選擇。簡單的實時性要求不高的速度和位置控制只需要使用普通的自動化控制器和現場總線；多軸之間的高性能實時同步（如電子齒輪和電子凸輪），則要求控制器和現場總線都具備高精度的時鐘同步功能，也就是需要使用能夠進行實時運動控制的控制器和工業總線；而如果設備需要完成多軸之間的平面或空間插補甚至集成機器人控制，那么對于控制器性能等級的要求就更高了。
基于上述原則，我們基本上已經能夠從前面初選出來產品中選出可用的控制器，并將它們落實到比較具體的型號了；再依據現場總線的兼容性，便可從中挑選出可與之匹配的驅動器及對應的伺服電機的選項，但這還只是停留在產品系列的階段。接下來，我們就需要根據系統的動力需求來進一步確定驅動器和電機的具體型號了。
按照應用需求中各軸的負載慣量和運動曲線，通過簡單的物理學公式 F = m · a 或者 T = J · α，不難計算出它們在運動周期中各時間點的扭矩需求。我們可以將各運動軸在負載端的扭矩和速度需求按照預設的傳動比折算到電機側，并在此基礎上加以適當的裕量，逐一推算出驅動器和電機的型號，快速擬定系統草案，以便在之后進入大量細致繁瑣的選型工作前預先對備選產品系列進行性價比的評估，從而縮減備選方案的數量。
不過，我們并不能將這個由負載扭矩、轉速需求和預設傳動比預估出來的配置作為動力系統的最終方案。因為，電機的扭矩和速度需求是會受到動力系統的機械傳動方式及其速比關系的影響的；同時，電機自身慣量對于傳動系統來說也是負載的一部分，電機在設備運行過程中所驅動的是包括負載、傳動機構和自身慣量在內的整個傳動系統。
從這個意義上說，伺服動力系統的選型，并非僅僅是根據各運動軸的扭矩和轉速…等傳動參數的計算去選取電機和驅動器（充其量可稱作估算吧），而是要為系統中的每個運動軸匹配合適的動力裝置。原則上它其實是基于負載的質量/慣量、運行曲線、以及可能的機械傳動模型，將各款備選電機的慣量值與驅動參數（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，找到最優組合的過程。大體來說，需要經歷以下幾個步驟階段：
基于各種傳動方式選項，將負載與各機械傳動組件的速度曲線和慣量映射到電機側；
將各備選電機的慣量與映射到電機側的負載與傳動機構的慣量疊加，結合電機側速度曲線得出扭矩需求曲線；
比較各種情況下的電機速度扭矩曲線的占比和慣量匹配情況，找到驅動器、電機、傳動方式和速比的最優組合。
早前“選型的姿勢”一文所描述的其實就是這樣一個動力系統匹配的流程。
由于上面這幾個階段的工作是需要針對系統中的每個軸展開的，因此，伺服產品的動力選型工作量其實是非常巨大的，運動控制系統設計的絕大部分時間通常都會消耗在此處。前面提到要通過扭矩需求預估型號，以減少備選方案數量，其意義也就在于此。
而在完成這部分工作之后，我們還應根據需要確定驅動器和電機的一些重要的輔助選項才能最終確定它們的型號，這些輔助選項包括：
如果選用了共直流母線型驅動，需根據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；
根據需要為某個（些）軸或整個驅動系統配備制動電阻或再生制動單元；
旋轉電機的輸出軸是鍵槽還是光軸，是否帶抱閘；
直線電機需根據行程長度確定定子模塊的數量；
伺服反饋協議及分辨率，增量還是絕對，單圈還是多圈；
…
至此，我們就已經將各備選品牌系列在運動控制系統中從控制器到各運動軸伺服驅動器、電機的型號乃至相關機械傳動機構的關鍵參數都確定下來了。
最后，我們還需要為運動控制系統選定一些必要的功能組件，例如：
幫助某個（些）軸或整個系統與其他非伺服運動組件進行同步的輔助（主軸）編碼器；
用于實現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：伺服電機動力電纜、反饋和抱閘電纜、驅動器與控制器之間的總線通訊電纜...；
…
這樣，整個設備伺服運動控制系統的選型工作就基本完成了。
總的來說，設備自動化系統中的伺服產品的選型還是一個比較繁瑣復雜的過程。尤其是隨著目前制造業自動化程度的不斷提升，運動控制技術在制造業的應用日趨普及，產線設備中的伺服產品越來愈多，且各項要求也越來越高，這些都讓設備運動控制系統的選型變得更具挑戰。在這種情況下，引入相應的伺服選型工具就顯得十分必要了。當然，這就是另外一個話題了。