為機器設計選擇伺服電機系統，首先要了解構成伺服電機或伺服驅動(dòng)系統的組件。伺服系統是閉環(huán)系統，用于控制某些所需的運動(dòng)，它們包括一個(gè)反饋裝置，可在電機和驅動(dòng)器之間提供恒定信息，以精確控制被驅動(dòng)機構的位置、速度和轉矩。

QXR高性能DDR電機伺服驅動(dòng)器

? ? ? ?通常，伺服設計是高動(dòng)態(tài)系統，涉及帶動(dòng)負載快速的加速和減速。它們在四個(gè)象限中運行，這意味著(zhù)它們可以控制轉矩和速度，無(wú)論是正還是負。

　　伺服驅動(dòng)的選型需要一個(gè)系統性的解決方案。換言之，是一個(gè)需要考慮整體機械，電氣和編程參數的整體方法。該系統包括確定機械負載、運動(dòng)曲線(xiàn)（包括定位要求），伺服電機特性，以及電機和其他組件所處環(huán)境；特別是當電機以接近恒定的速度運行時(shí)，對成品、物料和/或加工過(guò)程自身所產(chǎn)生影響。

　　機械負載和運動(dòng)曲線(xiàn)參數

　　讓我們從理解機械負載和運動(dòng)要求的含義開(kāi)始?；A牛頓物理學(xué)斷言：力（或旋轉方向的轉矩）與質(zhì)量（旋轉慣性）乘以加速度成正比，無(wú)論加速度是正還是負。在運動(dòng)設計的背景下，機器構造具有其自身的質(zhì)量和所承載負載的質(zhì)量。

　　因此，確定機械部件很重要——特別是運動(dòng)質(zhì)量和所需的運動(dòng)曲線(xiàn)。將旋轉運動(dòng)轉化為直線(xiàn)運動(dòng)的辦法千差萬(wàn)別，并受精度、負載、運動(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制，理解運動(dòng)動(dòng)力學(xué)對確定最佳伺服電機解決方案來(lái)說(shuō)非常重要。運動(dòng)曲線(xiàn)不僅包括從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的運動(dòng)，而且還包括在這一運動(dòng)中可能運用的功能，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，都包括在系統的整體運動(dòng)曲線(xiàn)中。分度移動(dòng)可能是簡(jiǎn)單的三角運動(dòng)，可變梯形或1/3-1/3-1/3（與RMS轉矩相關(guān)的最高效運動(dòng)）。

　　伺服系統選型和選擇工具

　　很多廠(chǎng)商提供選型和選擇工具，以幫助用戶(hù)根據應用的運動(dòng)要求構建運動(dòng)配置文件。大部分軟件工具，比如科爾摩根的Motioneering平臺提供多種運動(dòng)描述方式，可以協(xié)助您計算加速度、運動(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(xiàn)，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。系統根據加速時(shí)間的1/3，勻速的1/3，以及減速度的1/3來(lái)計算運動(dòng)。使用工具計算出的最大速度為720in/min?？梢钥吹健癝”曲線(xiàn)輪廓（基于50%的加速度）。此外，對于該運動(dòng)，可以看到在運動(dòng)橫向部分應用了推力負載（紅線(xiàn)）——這種運動(dòng)曲線(xiàn)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，因為所有與該曲線(xiàn)相關(guān)的參數將被用來(lái)計算RMS轉矩，它將是我們用來(lái)選擇正確電機的一個(gè)度量。除了運動(dòng)曲線(xiàn)外，理解負載在分辨率、精度和重復性的實(shí)際定位要求也很重要。這將受到反饋裝置選擇和（更顯著(zhù)地）以間隙和柔量形式的機械配件空動(dòng)量的直接影響。

　　除非設計可以使用直驅動(dòng)電機解決方案，否則它將包括某些類(lèi)型的機械傳動(dòng)。旋轉變線(xiàn)性的動(dòng)力傳動(dòng)（將旋轉電機輸出轉換成軸行程）可通過(guò)皮帶輪驅動(dòng)，或基于螺桿的機構完成，比如滾珠絲杠。旋轉傳動(dòng)包括齒輪箱或皮帶驅動(dòng)組件，以便使用各種尺寸的滑輪作為減速器。在某些應用中，被移動(dòng)的部件對總運動(dòng)質(zhì)量具有顯著(zhù)貢獻。一種特殊情況就是機器軸必須移動(dòng)變化的質(zhì)量——比如在機器人系統的分配或加工過(guò)程中。其中總負載變化可能是調整伺服驅動(dòng)的一個(gè)因素。

　　運動(dòng)中的組件必須將其慣量求和并反射回電機軸，除慣量外，還必須考慮外力、摩擦和低效率問(wèn)題。

　　伺服設計的環(huán)境考慮因素

　　這還沒(méi)有結束。在確定伺服設計時(shí)，只有某些可用的機構才能經(jīng)濟高效地提供所需的運動(dòng)、承載能力和精度。經(jīng)常被忽視的一個(gè)考慮就是伺服系統運行所在的環(huán)境。大多數伺服電機的額定工作溫度為40℃——這是一個(gè)非常溫暖的環(huán)境，但在許多工廠(chǎng)和工業(yè)環(huán)境中都是典型的。

　　驅動(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℃，因此管理它們運行處的環(huán)境溫度成為一個(gè)挑戰。通常，需要在控制柜內采用強制冷卻方法，以保持適當的環(huán)境條件（溫度和濕度）。因此，必須考慮電機和驅動(dòng)器所在的位置。當然，可以將電機直接安裝或集成到設備上，以驅動(dòng)承載負荷的機制。相比之下，集中式方案中的驅動(dòng)器位于控制柜內——它通常需要獲得冷卻。

　　制造商根據電機運行的環(huán)境條件來(lái)定義部分電機性能。如上所述，許多設計人員假定電機的額定環(huán)境溫度為40℃，但是偶爾提供的電機規格是25℃。因此，在審查規格時(shí)要注意了解所公布的額定參考值。如果機器運行的環(huán)境溫度超過(guò)額定環(huán)境溫度，電機將無(wú)法達到額定功率。

　　其他環(huán)境條件可能會(huì )影響到電機油漆和密封件以及其他機械子組件?；覊m，污垢，潮濕，噴霧沖洗，衛生要求，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，具有針對當前惡劣環(huán)境量身定制的物理特性。

　　選擇過(guò)程

　　在確定所需要的電機/驅動(dòng)器系統構成時(shí)，前期選型工作的很大一部分來(lái)自機械和環(huán)境?，F在，當用戶(hù)選擇最終產(chǎn)品時(shí)，必須考慮該系統所包含的其余系統組件。機械和環(huán)境將會(huì )繼續影響對于反饋元件、布線(xiàn)以及最終選擇的控制架構。

　　反饋考慮和伺服電機特性

　　根據定義，伺服系統具有在運行過(guò)程中測量速度、位置和其他系統參數的反饋裝置。制造商可能只有有限的選擇，但是應仔細考慮具體的應用參數，包括沖擊負載和定位精度以及可重復性，這至關(guān)重要。旋轉變壓器往往在嚴苛環(huán)境下具有出色的性能，特別是對于較高的沖擊負荷。旋轉變壓器是旋轉的變壓器，包括定子和轉子部分圍繞內核的纏繞線(xiàn)圈。相對于可能含有玻璃盤(pán)元件的編碼器，這種結構允許以更高的溫度運行，并且對于高沖擊負載具有更高的耐受性。

　　正弦編碼器可以提供高分辨率，高達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(guò)更好的分辨能力來(lái)提供旋轉變壓器的穩健性。這些智能編碼器基于具有電子元件的旋轉變壓器，可以解讀正弦和余弦信號，并將它們轉換成高分辨率的數字信號，該信號將被傳遞給伺服驅動(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)現向伺服驅動(dòng)器和控制器提供最佳反饋信號。

　　另外一個(gè)取決于應用要求的反饋選擇就是需要絕對位置反饋還是增量反饋。在旋轉系統中，一旦使用單圈設備完成360度旋轉，就可以從0開(kāi)始計數。而多圈絕對編碼器可以讓系統知道它的位置，不僅是電機在360度旋轉中的位置，而且知道在每個(gè)方向上它所完成的圈數。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(jiǎn)單的增量編碼器可以確定在一個(gè)單圈旋轉中的位置，但是只有在上電周期中找到零點(diǎn)之后。因此，用戶(hù)將不知道完成了多少個(gè)周期，甚至是在上電時(shí)在360度旋轉中的絕對位置。

　　除了伺服電機和伺服驅動(dòng)器本身之外，實(shí)際上二者之間的接線(xiàn)也很重要。電纜柔韌性（通過(guò)其允許彎曲半徑加以定義）是一個(gè)主要考慮因素，特別是當電纜與軸一起運動(dòng)時(shí)。

　　電纜長(cháng)度可能受所考慮編碼器類(lèi)型的限制。阻抗，壓降等電纜參數，結合編碼器的信號強度是長(cháng)度考慮方面的關(guān)鍵要素。市場(chǎng)上提供的一些較新的設備以非常高的傳輸速率向驅動(dòng)器（比如DSL，EnDat和BiSS）傳輸串行信息，這些信息將會(huì )受到長(cháng)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，因為連接器需要處理從這些設備生成的各種信號。與電機功率相關(guān)的另外一個(gè)電纜長(cháng)度要素與當今PWM驅動(dòng)器中涉及的高開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)。電機電源線(xiàn)中存在噪聲，當電纜變長(cháng)并接近電纜上頻率波長(cháng)的一半時(shí)，將會(huì )形成一個(gè)天線(xiàn)。天線(xiàn)會(huì )發(fā)送或接收信息（在這種情況下產(chǎn)生噪聲），這是不應該出現在高性能系統中的。

　　最后一個(gè)參數：運動(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 )造成整體設計過(guò)程重復（以及改變設計的其他指定組件）的一項考慮就是系統架構。工程師必須要問(wèn)：我應當專(zhuān)注于一種帶有驅動(dòng)器、控制器和支持電子器件，并封裝在一個(gè)集中機柜內的集中控制系統，還是將驅動(dòng)器在機器上加以分散（一種分布式系統方法）才更加有利，性?xún)r(jià)比更高？具有多個(gè)軸（這些軸可能分散在機器各個(gè)位置）的機器，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，節省長(cháng)電纜的布線(xiàn)以及與這些電纜配套的電纜槽和支架相關(guān)的成本。此外，將驅動(dòng)器移出機器可以減小容納控制和支持電子組件所需機柜的尺寸，從而再次降低成本，并降低機柜內的冷卻要求。另一方面，緊湊型并具有較少軸數的機器將不會(huì )受益于傳統集中式方法。

　　結論

　　在針對應用選型伺服系統時(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?？刂祁?lèi)型通常在機器設計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場(chǎng)總線(xiàn)通信標準的選擇。