為機(jī)器設(shè)計(jì)選擇伺服電機(jī)系統(tǒng)，首先要了解構(gòu)成伺服電機(jī)或伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組件。伺服系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，用于控制某些所需的運(yùn)動(dòng)，它們包括一個(gè)反饋裝置，可在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間提供恒定信息，以精確控制被驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩。
QXR高性能DDR電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器
? ? ? ?通常，伺服設(shè)計(jì)是高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，涉及帶動(dòng)負(fù)載快速的加速和減速。它們?cè)谒膫€(gè)象限中運(yùn)行，這意味著它們可以控制轉(zhuǎn)矩和速度，無論是正還是負(fù)。
伺服驅(qū)動(dòng)的選型需要一個(gè)系統(tǒng)性的解決方案。換言之，是一個(gè)需要考慮整體機(jī)械，電氣和編程參數(shù)的整體方法。該系統(tǒng)包括確定機(jī)械負(fù)載、運(yùn)動(dòng)曲線（包括定位要求），伺服電機(jī)特性，以及電機(jī)和其他組件所處環(huán)境；特別是當(dāng)電機(jī)以接近恒定的速度運(yùn)行時(shí)，對(duì)成品、物料和/或加工過程自身所產(chǎn)生影響。
機(jī)械負(fù)載和運(yùn)動(dòng)曲線參數(shù)
讓我們從理解機(jī)械負(fù)載和運(yùn)動(dòng)要求的含義開始。基礎(chǔ)牛頓物理學(xué)斷言：力（或旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩）與質(zhì)量（旋轉(zhuǎn)慣性）乘以加速度成正比，無論加速度是正還是負(fù)。在運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的背景下，機(jī)器構(gòu)造具有其自身的質(zhì)量和所承載負(fù)載的質(zhì)量。
因此，確定機(jī)械部件很重要——特別是運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和所需的運(yùn)動(dòng)曲線。將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的辦法千差萬別，并受精度、負(fù)載、運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和環(huán)境等因素影響。
一旦了解了所使用的機(jī)制，理解運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)對(duì)確定最佳伺服電機(jī)解決方案來說非常重要。運(yùn)動(dòng)曲線不僅包括從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而且還包括在這一運(yùn)動(dòng)中可能運(yùn)用的功能，比如與部件加工相關(guān)的推力。加速，勻速和減速，以及停留和暫停時(shí)間，都包括在系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)曲線中。分度移動(dòng)可能是簡單的三角運(yùn)動(dòng)，可變梯形或1/3-1/3-1/3（與RMS轉(zhuǎn)矩相關(guān)的最高效運(yùn)動(dòng)）。
伺服系統(tǒng)選型和選擇工具
很多廠商提供選型和選擇工具，以幫助用戶根據(jù)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)要求構(gòu)建運(yùn)動(dòng)配置文件。大部分軟件工具，比如科爾摩根的Motioneering平臺(tái)提供多種運(yùn)動(dòng)描述方式，可以協(xié)助您計(jì)算加速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、距離、速度和停留時(shí)間。圖1顯示了基本的1/3-1/3-1/3曲線，引入了50%的加加速度以平滑加速度。在本例中，我們選擇在1秒中移動(dòng)8英寸，并使用50%的加加速度和2秒的停留時(shí)間。系統(tǒng)根據(jù)加速時(shí)間的1/3，勻速的1/3，以及減速度的1/3來計(jì)算運(yùn)動(dòng)。使用工具計(jì)算出的最大速度為720in/min。可以看到“S”曲線輪廓（基于50%的加速度）。此外，對(duì)于該運(yùn)動(dòng)，可以看到在運(yùn)動(dòng)橫向部分應(yīng)用了推力負(fù)載（紅線）——這種運(yùn)動(dòng)曲線可能是正在進(jìn)行加工。停留時(shí)間也可以看到為3秒。停留部分非常重要，因?yàn)樗信c該曲線相關(guān)的參數(shù)將被用來計(jì)算RMS轉(zhuǎn)矩，它將是我們用來選擇正確電機(jī)的一個(gè)度量。除了運(yùn)動(dòng)曲線外，理解負(fù)載在分辨率、精度和重復(fù)性的實(shí)際定位要求也很重要。這將受到反饋裝置選擇和（更顯著地）以間隙和柔量形式的機(jī)械配件空動(dòng)量的直接影響。
除非設(shè)計(jì)可以使用直驅(qū)動(dòng)電機(jī)解決方案，否則它將包括某些類型的機(jī)械傳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)變線性的動(dòng)力傳動(dòng)（將旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)換成軸行程）可通過皮帶輪驅(qū)動(dòng)，或基于螺桿的機(jī)構(gòu)完成，比如滾珠絲杠。旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)包括齒輪箱或皮帶驅(qū)動(dòng)組件，以便使用各種尺寸的滑輪作為減速器。在某些應(yīng)用中，被移動(dòng)的部件對(duì)總運(yùn)動(dòng)質(zhì)量具有顯著貢獻(xiàn)。一種特殊情況就是機(jī)器軸必須移動(dòng)變化的質(zhì)量——比如在機(jī)器人系統(tǒng)的分配或加工過程中。其中總負(fù)載變化可能是調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)的一個(gè)因素。
運(yùn)動(dòng)中的組件必須將其慣量求和并反射回電機(jī)軸，除慣量外，還必須考慮外力、摩擦和低效率問題。
伺服設(shè)計(jì)的環(huán)境考慮因素
這還沒有結(jié)束。在確定伺服設(shè)計(jì)時(shí)，只有某些可用的機(jī)構(gòu)才能經(jīng)濟(jì)高效地提供所需的運(yùn)動(dòng)、承載能力和精度。經(jīng)常被忽視的一個(gè)考慮就是伺服系統(tǒng)運(yùn)行所在的環(huán)境。大多數(shù)伺服電機(jī)的額定工作溫度為40℃——這是一個(gè)非常溫暖的環(huán)境，但在許多工廠和工業(yè)環(huán)境中都是典型的。
驅(qū)動(dòng)電子器件的耐熱性不是很高，并且由于它們的額定環(huán)境溫度也是40℃，因此管理它們運(yùn)行處的環(huán)境溫度成為一個(gè)挑戰(zhàn)。通常，需要在控制柜內(nèi)采用強(qiáng)制冷卻方法，以保持適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件（溫度和濕度）。因此，必須考慮電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器所在的位置。當(dāng)然，可以將電機(jī)直接安裝或集成到設(shè)備上，以驅(qū)動(dòng)承載負(fù)荷的機(jī)制。相比之下，集中式方案中的驅(qū)動(dòng)器位于控制柜內(nèi)——它通常需要獲得冷卻。
制造商根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的環(huán)境條件來定義部分電機(jī)性能。如上所述，許多設(shè)計(jì)人員假定電機(jī)的額定環(huán)境溫度為40℃，但是偶爾提供的電機(jī)規(guī)格是25℃。因此，在審查規(guī)格時(shí)要注意了解所公布的額定參考值。如果機(jī)器運(yùn)行的環(huán)境溫度超過額定環(huán)境溫度，電機(jī)將無法達(dá)到額定功率。
其他環(huán)境條件可能會(huì)影響到電機(jī)油漆和密封件以及其他機(jī)械子組件。灰塵，污垢，潮濕，噴霧沖洗，衛(wèi)生要求，爆炸性環(huán)境，真空環(huán)境以及輻射都需要特殊的伺服電機(jī)，具有針對(duì)當(dāng)前惡劣環(huán)境量身定制的物理特性。
選擇過程
在確定所需要的電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，前期選型工作的很大一部分來自機(jī)械和環(huán)境。現(xiàn)在，當(dāng)用戶選擇最終產(chǎn)品時(shí)，必須考慮該系統(tǒng)所包含的其余系統(tǒng)組件。機(jī)械和環(huán)境將會(huì)繼續(xù)影響對(duì)于反饋元件、布線以及最終選擇的控制架構(gòu)。
反饋考慮和伺服電機(jī)特性
根據(jù)定義，伺服系統(tǒng)具有在運(yùn)行過程中測量速度、位置和其他系統(tǒng)參數(shù)的反饋裝置。制造商可能只有有限的選擇，但是應(yīng)仔細(xì)考慮具體的應(yīng)用參數(shù)，包括沖擊負(fù)載和定位精度以及可重復(fù)性，這至關(guān)重要。旋轉(zhuǎn)變壓器往往在嚴(yán)苛環(huán)境下具有出色的性能，特別是對(duì)于較高的沖擊負(fù)荷。旋轉(zhuǎn)變壓器是旋轉(zhuǎn)的變壓器，包括定子和轉(zhuǎn)子部分圍繞內(nèi)核的纏繞線圈。相對(duì)于可能含有玻璃盤元件的編碼器，這種結(jié)構(gòu)允許以更高的溫度運(yùn)行，并且對(duì)于高沖擊負(fù)載具有更高的耐受性。
正弦編碼器可以提供高分辨率，高達(dá)24位以及更高，以獲得最佳定位精度。一些混合編碼器可以通過更好的分辨能力來提供旋轉(zhuǎn)變壓器的穩(wěn)健性。這些智能編碼器基于具有電子元件的旋轉(zhuǎn)變壓器，可以解讀正弦和余弦信號(hào)，并將它們轉(zhuǎn)換成高分辨率的數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)將被傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器，以便用于速度和位置反饋。
目前，最新的編碼器提供各種通信協(xié)議（EnDAT，BiSS和DSL），并提供高分辨率和低噪聲能力，以幫助實(shí)現(xiàn)向伺服驅(qū)動(dòng)器和控制器提供最佳反饋信號(hào)。
另外一個(gè)取決于應(yīng)用要求的反饋選擇就是需要絕對(duì)位置反饋還是增量反饋。在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，一旦使用單圈設(shè)備完成360度旋轉(zhuǎn)，就可以從0開始計(jì)數(shù)。而多圈絕對(duì)編碼器可以讓系統(tǒng)知道它的位置，不僅是電機(jī)在360度旋轉(zhuǎn)中的位置，而且知道在每個(gè)方向上它所完成的圈數(shù)。因此，它知道自己的精確位置。知道這一點(diǎn)和工具及其他軸的位置非常重要。另一方面，簡單的增量編碼器可以確定在一個(gè)單圈旋轉(zhuǎn)中的位置，但是只有在上電周期中找到零點(diǎn)之后。因此，用戶將不知道完成了多少個(gè)周期，甚至是在上電時(shí)在360度旋轉(zhuǎn)中的絕對(duì)位置。
除了伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器本身之外，實(shí)際上二者之間的接線也很重要。電纜柔韌性（通過其允許彎曲半徑加以定義）是一個(gè)主要考慮因素，特別是當(dāng)電纜與軸一起運(yùn)動(dòng)時(shí)。
電纜長度可能受所考慮編碼器類型的限制。阻抗，壓降等電纜參數(shù)，結(jié)合編碼器的信號(hào)強(qiáng)度是長度考慮方面的關(guān)鍵要素。市場上提供的一些較新的設(shè)備以非常高的傳輸速率向驅(qū)動(dòng)器（比如DSL，EnDat和BiSS）傳輸串行信息，這些信息將會(huì)受到長度的影響，特別是阻抗和信噪比。甚至連接器也在“反饋”循環(huán)中起作用，因?yàn)檫B接器需要處理從這些設(shè)備生成的各種信號(hào)。與電機(jī)功率相關(guān)的另外一個(gè)電纜長度要素與當(dāng)今PWM驅(qū)動(dòng)器中涉及的高開關(guān)頻率相關(guān)。電機(jī)電源線中存在噪聲，當(dāng)電纜變長并接近電纜上頻率波長的一半時(shí)，將會(huì)形成一個(gè)天線。天線會(huì)發(fā)送或接收信息（在這種情況下產(chǎn)生噪聲），這是不應(yīng)該出現(xiàn)在高性能系統(tǒng)中的。
最后一個(gè)參數(shù)：運(yùn)動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)——集中式與分散式
最后一個(gè)考慮因素可能會(huì)造成整體設(shè)計(jì)過程重復(fù)（以及改變?cè)O(shè)計(jì)的其他指定組件）的一項(xiàng)考慮就是系統(tǒng)架構(gòu)。工程師必須要問：我應(yīng)當(dāng)專注于一種帶有驅(qū)動(dòng)器、控制器和支持電子器件，并封裝在一個(gè)集中機(jī)柜內(nèi)的集中控制系統(tǒng)，還是將驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器上加以分散（一種分布式系統(tǒng)方法）才更加有利，性價(jià)比更高？具有多個(gè)軸（這些軸可能分散在機(jī)器各個(gè)位置）的機(jī)器，將是分布式解決方案的理想候選者。這種方法可以大幅減少電纜需求，節(jié)省長電纜的布線以及與這些電纜配套的電纜槽和支架相關(guān)的成本。此外，將驅(qū)動(dòng)器移出機(jī)器可以減小容納控制和支持電子組件所需機(jī)柜的尺寸，從而再次降低成本，并降低機(jī)柜內(nèi)的冷卻要求。另一方面，緊湊型并具有較少軸數(shù)的機(jī)器將不會(huì)受益于傳統(tǒng)集中式方法。
結(jié)論
在針對(duì)應(yīng)用選型伺服系統(tǒng)時(shí)必須考慮許多事情，在本文中已經(jīng)介紹了其中的許多要素。影響組件選擇的另一個(gè)選擇就控制系統(tǒng)。控制類型通常在機(jī)器設(shè)計(jì)討論的早期階段就已經(jīng)指定，并取決于多種因素，同時(shí)控制選擇通常鎖定現(xiàn)場總線通信標(biāo)準(zhǔn)的選擇。