【知识普及】伺服系统选型需要考虑的9个因素

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年9月刊杂志，原标题为：伺服系统选型需要考虑的9个因素

本文能帮助用户选择适合的伺服系统，使其在特定应用中，能够以最优性能运行，实现生产效率的最大化。

在为特定的应用选择合适的伺服系统时，有很多因素需要考虑。为了实现最优性能，建议参考以下9个方面。

1电机规格的选择

电机启动时，有3个最重要的标准：转速、转矩和转动惯量。

前面两个标准显而易见，一般情况下，可利用生产制造商提供的“选型”软件进行计算。使用这些程序时，输入应用中所需的运动类型，软件根据负载和传动的类型（变速箱、皮带、齿条和齿轮、滚珠丝杆等），就可以自动计算所需的转矩和转速。

虽然转动惯量不是那么直观，但是同样重要。由于在大多数的轴联器与其连接的机械传动装置之间，有某种程度的依从性，所以至关重要的一点是与电机的转动惯性相比，负载的反射惯性不能太大。

由于两者比例上升增加，会导致调节难度显著增加。随着调节算法的发展、微处理器速度的提升，允许的比例也随之增加，但是传统上使用的10：1的负载-电机惯性比，是一个比较安全的选择。

2负载连接

电机是否应该直接连接？有些伺服装置，允许将负载直接连接到电机的转子上。在最小依从性以及较低的加/减速率的情况下，可以实现超过100:1的惯性比。生产制造商提供的选型软件，是调整这些设计准则以将系统的惯性比限制在适当范围之内的最佳工具。

软件可以帮助伺服电机系统的选型。上图为典型的负载/机械输入截图，包括外部力矩、负载块、侧块、节径、球形螺栓的惯量、摩擦以及运动方向。本文所有图片来源：Yaskawa。

3能源再生利用

在很多应用场合中，伺服系统需要考虑的另一个因素，是处理电机及负载所产生的可重复利用能源的能力。这里涉及到的是伺服系统的放大器。当电机的转矩在某一方向，而电机的运动方向则与其相反，那么电机会将再生能源传回放大器。这是因为电机和发电机的基本设计是一样的。

将能量传递给电机的绕组，将会产生电磁场，这样电机的转子及永磁体就会随之转动。与此类似，当电机转子转动时，永磁体励磁将能量传递给绕组。驱动利用再生能源有很多不同的途径。某些小型的驱动利用母线电容器来吸收这些能量，而更大一点的驱动则是用内部电阻发热来消耗这些热量。生产制造商提供的选型软件，一般会给出是否需要能量再生工艺。

图中所示为力矩/转速曲线，该曲线由SigmaSelect伺服计算软件绘制：纵轴为位置（m）和速度（m/s）,横轴为时间,单位为秒。

直接驱动伺服电机的设计,使用比以前更少种类的机械部件。

4有效线路再生

对于一些大型的系统一般配有转换器，这样就可以将能量传回到为系统供电的电源回路上。在选择伺服系统时，如果设计电机和负载之间允许的惯性不匹配，另外一个需要考虑的因素是驱动器能够处理的再生能源的数量。

在处理超量的再生能源应用时，一般情况下会将外部功率电阻连接至放大器。当重力成为一个考虑因素，并且需要快速降低较大的惯性负载时，这些应用一般垂直布置。显而易见，除了再生功能，放大器还需要为电机提供适当的电压和电流，以便实现所需的转速和转矩。为电机和放大器选择合适的功率需求，仅仅是个开始。

图中伺服计算软件的计算结果显示,可能需要外部再生电阻。

5控制系统需求

下一步，需要处理控制方面的需求。让我们先回到电机。按照定义，伺服系统总是需要一个反馈装置。目前，反馈装置一般是高分辨率的解码器或分解器。为了确保能够满足所需的定位精度，反馈装置必须具有适当的分辨率来实现可重复性和精度。放大器还必须与来自于安装在电机上的反馈装置的信号类型兼容。

6定位精度

习惯上，解码器在两个通道上通过脉冲序列来传递位置和转速信息，并将其传回放大器。然而，由于这些解码器的精度已经大大提高，有些生产制造商开始使用具有较高传输速率的串口解码器，而不是脉冲序列来传递这些信息数据包。这些串口解码器能够传递具有较高分辨率的信号，从而对噪音具有更高的抗干扰能力，并且可以提供其它类型的信号。这些附加信息，包括电机温度甚至是电机的部件号。

在伺服系统中，当电机和放大器由同一个生产制造商供应时，反馈装置能够识别电机并将其传递给放大器的能力，使其可以自动为优化运行和电机保护设立内部参数。

7通讯连接性能

当具有驱动和反馈装置的电机和放大器之间相互匹配，并且具有应用所需的分辨率时，就可以开始考虑放大器和运动控制器之间的指令信号了。对于单轴应用，比较常见的是将控制器嵌入或者附着在放大器的一侧。某些应用则将其集成到更高一级的控制系统中。可编程逻辑控制器（PLC）或者可编程自动控制器（PAC）可以控制整个单元或生产线，并通过数字输入/输出（I/O)或通讯协议，比如EtherNet/IP 或 ModbusTCP/IP，将这些信息传递给单运动轴控制器。

安川电气的MP3300iec机器控制器，利用Mechatrolink-3运动控制网络,可以实现32轴伺服控制,并通过OPC、ModbusTCP/IP、 EtherNet/IP或客户定制的通讯接口与不同的以太网装置通讯。

在使用伺服计算软件时，如果能够看到加载在电机额定/峰值力矩曲线上的额定值和峰值力矩应用信息，那将非常有用。

图中所示的是在使用伺服计算软件时，电机典型应用的可能计算结果，包括滤波功能、分类排序功能。

8控制接口选择

在多轴应用中，控制器一般是独立的。传统上，控制器发出的指令一般为+10V信号，代表转速或力矩。现在，大多数生产制造商提供基于网络的解决方案。这些基于网络的解决方案接线工作量较少，可以处理更高分辨率的反馈，并且能够从放大器收集到更多的诊断信息。有很多种运动网络可以使用，每种都有其优点和不足。

9运动控制网络的选择

很多比较新的运动控制网络都基于以太网硬件，并且充分利用其不断增加的速率和逐步降低的成本。但是，不能因为在放大器上有RJ-45接口，就认为它一定能与相关的控制器或网络的其它部分兼容。

在这些网络上运行的协议将决定系统的兼容性。EtherCAT、Mechatrolink III和Powerlink是基于以太网协议、适合于运动控制的几种高速确定性网络。

基于网络的伺服系统，一般会配置能够使用诸如Modbus TCP/ IP 和EtherNet/IP等常见工业协议的以太网端口，以便向监控网络报告诊断和产品信息。

作者：Jerry Tyson