【技术进展】集成式电机 ：更少的组件和更大的灵活性
本文图片来源：Applied Motion
作者 | Eric Rice
与单独的电机和驱动器设计相比，集成电机通过减少系统组件和简化布线，实现了空间和成本的节省。
许多工业应用在其制造、生产或机器人系统中，都依赖基于伺服或步进电机的运动控制器。传统上，它们由电机、驱动器和连接它们所需的电缆组成。为了满足不断减少自动化系统尺寸的需求，机器制造商通常会花费大量时间安装电机和驱动器，并在配置中布线以减小所需的空间。
与单独的电机和驱动器组件相比，集成式电机通过将伺服或步进电机与板载驱动器和控制器相结合，可以节省大量空间。集成电机的设计，旨在减少系统中的组件数量、简化布线，相较于传统设计，可以降低成本。通过改用集成电机，机器制造商可以释放宝贵的空间，以更好地容纳其它关键组件，例如传感器、物料传输机构和操作员界面等，同时减少机器的总体占地面积。图1显示了集成电机如何为运动控制应用提供更整洁的设计。
▎图 1 ：左边是200W的伺服电机和伺服驱动器，带有连接电机和驱动器所需的电源和反馈电缆。右边是一个200W的集成伺服电机，它整合了电机和驱动组件，并提供相同的速度和转矩性能。在机器设计中使用集成电机可降低复杂性并节省空间。
集成式步进电机（参见图2）将驱动电子设备安装在电机的背面，靠近反馈设备或沿着电机的一侧。电源、通信和输入 / 输出（I/O）等电气连接，也位于电机的背面或侧面附近，通常在某个表面组合在一起。无需其它外部电子组件即可驱动或控制电机。
▎图 2 ：将电机和驱动组件组合在一起的集成式步进电机的分解图。
集成式伺服电机的结构与之类似，伺服驱动器安装在电机的后部，所有电子连接都组合在一起以便于操作。磁编码器可以为伺服控制提供高分辨率的反馈信息。磁编码器具有高分辨率、体积小而坚固的特性。
集成式电机的优势
一般来说，集成式电机具有以下 4 个优点 ：
1
更少的组件和简化 的接线
驱动和控制用电子设备与电机安装在同一外壳中，因此集成电机不需要额外的电子设备用于控制。用于电源、通信和 I/O 的连接器易于访问。机器制造商可以将命令信号从中央处理器发送到集成电机。许多集成电机包括对工业网络协议（包括 EtherNet/IP，Modbus 和 CANopen）以及诸如离散 I/O 接口等控制模式的板载支持。
2
更小的控制面板
通过消除单独的驱动器组件，大大减少了容纳它们的控制面板的尺寸和数量。在某些情况下，系统根本不需要控制面板。
3
简化产品选择
将电机和驱动器集成到一个单元中，有助于消除有关驱动器 / 电机兼容性、电缆长度和其它系统选择问题。
4
节省成本
由于简化了组件的选择和安装，可以节省时间成本 ；由于减少了系统组件的数量，可以节省材料清单费用。
接线更简单
在例如，在传统的 4 轴运动控制设计中，使用了独立的电机和驱动组件（如图 3 所示）。安装在控制面板内的 4 个伺服驱动器，以及直流电源和可编程逻辑控制器（PLC），必须连接到安装在机器周围的 4 个伺服电机。每个轴上的就地开关 / 传感器需要额外的电缆才能连接回伺服驱动器，总计需要 12 根电缆实现从控制面板到机器的连接。切换到集成式电机的运动控控制系统后，控制面板和轴之间的电缆减少到 5 根。
▎图 3 ：传统的 4 轴运动控制设计，具有独立的电机和驱动组件。
更小的控制面板
相同的 4 轴运动控制解决方案，但是用集成式电机取代单独的伺服电机和驱动组件（如图 4 所示）后，对组件、布线和控制面板的空间需求都减少了。控制面板内部仅安装了直流电源和 PLC，从而减小了尺寸。在控制面板和轴之间不需要电机电源或反馈电缆。开关 / 传感器连接到集成电机，从而减少了返回控制面板的电缆数量。
▎图 4 ：等效的 4 轴系统具有集成的电机，而不是单独的电机和驱动器
仅需的电缆是从控制面板到轴的一根直流电源电缆和一根网络电缆。集成电机上的双端口通信连接可以使用菊花链网络连接。此外，由于不需要使用单独的伺服驱动器，因此控制面板的尺寸减小了 50％。
简化产品选择
集成电机还简化了产品规格匹配和选择。在选择单独的电机和驱动器组件时，用户会遇到以下问题 ：
· 哪种驱动器最适合该电机？
· 必须使用哪些电缆连接电机和驱动器？
· 驱动器是否支持我的编码器类型？
集成式电机消除了这些以及其它类似的问题，因为驱动器已经针对电机优化了规格和配置，而且驱动器和电机之间也不需要电缆连接。尽管这些细节看似琐碎，但它们对用户有切实的影响，可以简化产品选择的过程。在大多数情况下，集成电机和驱动器比使用单独的电机和驱动器便宜。
使用同等功率的集成式电机时，扭矩和速度与单独的电机和驱动组件基本相同。图 5 比较了集成和非集成电机和驱动器的转矩 -速度曲线。在大多数应用中，两者的差异都几乎可以忽略不计。
▎图 5 ：200W 伺服电机和驱动器与 200W 集成伺服电机的转矩速度比较。两者之间的峰值转矩、连续转矩和额定速度的差异几乎可以忽略不计。
集成电机的限制
集成式电机的好处是实实在在的，但并不是对每种应用都是最佳选择。目前可用的集成式电机可以使用现成的工业电源。在伺服系统中，其连续功率最高可达 600W，步进电机等级最高可达NEMA 34。
连续提供超过 600W（最高6kW）功率的集成式电机，需要直接为集成电机提供交流电压，或者需要配置以安全方式生产高直流电压的直流电源系统。
集成式电机中增加了转换组件，使封装的整体尺寸大得多，可能在一定程度上抵消了所节省的空间。复杂的高压直流电源系统，也会增加成本，使产品选择不再简便。由于这些原因，机器制造商在低于 600W 的应用中采用集成式电机通常受益最大，在此类应用中最常采用的是现成的工业电源（一般为 48V 直流电压）来为集成式电机供电。对于要求连续运行功率超过 600W 的应用，在大多数情况下，使用单独的电机和驱动器组件仍然是最佳选择。
选择集成电机时，要根据不同应用的需求权衡其优势和不足。是否能够节省空间和成本，简化产品选择和实现应用中的便利性，是在用集成式电机替换标准电机时需要仔细考虑的问题。
关键概念：
■ 集成电机可以为制造商降低成本，节省空间。
■ 增加的空间有助于机器制造商可以改善设计。
■ 当使用同等的集成电机时，转矩和速度与单独的电机和驱动器组件几乎相同。
思考一下：
您将从集成电机设计中受益吗？