电动伺服系统易于使用，与整个工厂集成

“集成化，更集成化”用最少的话描述了当前电伺服技术的发展方向。集成从大规模的伺服系统与机器控制和整体工厂流程相结合，到微米级的微控制器和数字信号处理器(DSP)芯片的功能不断增长。

弗兰克·j·巴托斯著二零零二年六月一日

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伺服运动传播集成，应用

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电动伺服:一个负担得起的选择

“集成化，更集成化”用最少的话描述了当前电伺服技术的发展方向。

集成从大规模的伺服系统与机器控制和整体工厂流程相结合，到微米级的微控制器和数字信号处理器(DSP)芯片的功能不断增长。

这种趋势的一个最明显的例子是将伺服电机、驱动器、控制器、反馈等组合成一个智能包。

的封面故事CE2001年12月的一期《集成、智能电机和控制将在你的未来》介绍了这项新兴技术。

将运动系统混合到工厂和工厂流程中是用户欢迎的发展。然而，罗克韦尔自动化(Eden Prairie，明尼苏达州)Allen-Bradley工业运动控制公司的高级产品工程师比尔·凯格利(Bill Kegley)指出，这“给伺服技术施加了更大的压力，使其不仅仅是一个运动控制器”。

力士乐伺服驱动器，电机，线性模块和软件帮助联合集装箱公司的Jet-Pac印刷机在300 fpm(近92 m/min)的连续速度下实现高精度，并具有1,000 fpm的能力。应用显示在内陆纸板和包装的工厂在卡罗尔顿，得克萨斯州。

早些时候，运动控制器的目标更简单，只是处理机器运动，通常只有为这些“神秘黑匣子”编程的人才能驯服它们。新一代控制器则大不相同。它们在运动控制方面表现出色，但也为企业网络或其他集成过程提供数据、监控和诊断服务。Kegley先生解释说，罗克韦尔自动化的ControlLogix架构就属于这一类。精益生产、政府法规和降低成本的举措比以往任何时候都需要更多的数据采集和分析。他补充说:“今天的运动控制器正在集成到机器控制过程中，并简化了工厂车间。”

链接到现有的控制，如plc，是集成的一部分，有助于简化应用和维护伺服系统的任务。根据Kegley先生的说法，罗克韦尔自动化工程师使用IEC 61131-3的阶梯逻辑、结构化文本和顺序功能图标准化语言对伺服运动进行编程。

高密度的包装

派克汉尼汾公司(Parker Hannifin Corp.)的计算机事业部(加利福尼亚州Rohnert Park)指出的趋势之一是将伺服驱动和控制器功能整合到一个模块中。据Compumotor的技术人员戴夫•凯泽(Dave Kaiser)说，这种“高密度”封装可以“集成到用户的机械装置或电机本身”。

这些模块包括伺服控制器、放大器和功率开关器件(igbt);散热器和总线电容器分别提供。凯泽说，对于多轴应用，用户可以提供散热器和电容器，以节省额外成本。帕克/Compumotor的MGV伺服驱动器为3-20马力(2.2-15千瓦)的线性和旋转电机设计，说明了这种方法。

另一个值得注意的发展是使用带有DSP核心的专用集成电路(asic)。这些单芯片产品由多家半导体供应商提供，“包含高性能伺服控制所需的所有典型功能，从PWM生成到编码器和解析器接口，”Kaiser说。他补充说:“虽然这些专用集成电路中使用的核心dsp是定点架构，但我们希望在不久的将来看到完整的浮点dsp，从而在更宽的动态范围内实现更好的伺服控制。”

与此同时，西门子能源与自动化公司(Siemens Energy & Automation)认为，伺服机器控制正朝着“一个系统”的方向发展，将以前分离的运动、逻辑和特殊功能融合在一起。正如运动控制驱动器产品经理John Krasnokutsky所说，“这种方法允许在一个系统中实现所有运动功能和相关逻辑功能。他说，它消除了瓶颈，减少了控制组件之间的时间滞后。

西门子的单一系统方法包括软件及其编程环境。Krasnokutsky先生同样提到了用于伺服运动控制编程的IEC 61131-3语言，尽管严格来说，该标准适用于PLC编程。西门子E&A的工程师使用多种IEC标准语言，并根据需要从一种语言切换到另一种语言。使用更少的语言可以简化培训并加快编程速度。

“更小、更强大、更经济”描述了太平洋科学公司Danaher Motion的新伺服技术。产品市场经理唐•诺伊曼认为，伺服电机和控制系统正朝着“大众”市场和应用的方向发展，这些市场和应用以前是成本过高的，但现在由于设计、制造和磁性材料的进步，这些市场和应用成为可能。

诺伊曼举了一个例子，说明交流伺服电机的绕线过程在不断改进。这是一种远离传统的分布式绕组的做法，类似于在感应电机中使用的绕组。许多现代设计使用“单齿”绕组方法，导致降低端匝高度和更高的铜填充。这缩短了整个马达的长度。”

与此相关的是，Danaher Motion为赛格威(Segway)的人类运输车(Human Transporter, HT)开发了推进马达，最近在每日新闻中引起了一些技术上的兴奋。这种新颖的伺服电机(见图片，下页)声称，与同等尺寸的无刷伺服电机相比，每单位体积的扭矩显著增加。其特点之一是冗余定子绕组，使其能够在主绕组失效的情况下运行。(详见2001年12月《电机与驱动电子通讯》)

安川电气美国公司(Waukegan, Ill.)提倡通过各种应用模块集成伺服放大器和控制器功能，这些应用模块“快速”连接到放大器的一侧。高级产品经理James Gegg表示:“通过这种方式，我们可以轻松地将更多功能和智能集成到伺服放大器中。”节省布线和面板空间是其他好处。

Gegg先生说，在几个可用的应用模块中，MotionSuite MP940机器控制器是最智能的。在MP940模块的指导下，放大器可以自行配置并完成驱动器设置，而无需外部软件。其他应用模块包括索引器和位置和速度控制器，能够通过串行接口和流行的总线网络与更高级别的控件通信。

反馈是关键

高分辨率反馈正成为高效伺服运动控制的重要组成部分。在博世力士乐(Bosch Rexroth)的电力驱动和控制部门(伊利诺伊州Hoffman Estates;Lohr，德国)，在位置和速度环路闭合中实现高分辨率绝对反馈已经成为一段时间以来的焦点，同时也采取了一些措施使其具有成本效益。该方法结合了光学和电子方法，其中正弦/余弦型中间信号被电子增强。通过进一步将每个正弦波信号分解成大量的增量，数字反馈具有超过4百万(或2

埃里克森说，当然，这并不意味着能够定位到400万分之一。“然而，它提供了为运动系统的动态回路开发高质量速度反馈所需的分辨率水平。高分辨率也限制了电子噪声的影响。有噪声的位置数据也会降低来自位置导数的速度反馈。

Compumotor的凯泽认为，反馈分辨率和精度是“对系统限制最大的组件”。“因此，对于伺服驱动器和控制器制造商来说，高分辨率和精度的编码器正以更低的成本变得越来越多，这是个好消息。”他说:“具有更高的分辨率和精度，可以将伺服增益调得更高，从而更好地抑制干扰，更快地定位。”

为了说明准确反馈的重要性，Industrial Indexing Systems (Victor, N.Y.)在其Emerald EMC-2000多轴运动控制器上增加了一个解析器卡选项。在控制器上电时，主跟随器解析器PMC卡提供绝对位置信息，可通过应用程序选择12位，14位或16位分辨率。解析器到数字的转换精度为

罗克韦尔自动化也越来越重视高分辨率反馈。真正的新闻是旋转光学编码器在通用运动市场的可用性，每转提供超过100万的计数。将这些编码器整合到罗克韦尔的MP系列伺服电机中，通过提高整个运动系统的性能来增加价值。凯格利说:“高分辨率的设备使控制回路更有力度，可以制定更精细的运动路径规划，允许更大的惯性失配，并减少机械压力。”

然而，高分辨率反馈并不是所有应用的答案。丹纳赫的特殊HT伺服电机说明了这一点。专有的反馈传感器设计消除了对编码器或解析器的需求，但提供了应用程序所需的定位精度。类似的反馈传感器用于其他丹纳赫伺服电机，以减少占地面积和成本。

也很聪明

这些更新的反馈设备也很智能。它们在船上通信并保存数据。当伺服系统首次投入使用时，其智能设备将被“注册”，有关它们的信息将保持在线。凯格利解释说，之后，伺服驱动器可以轮询电机中的反馈装置，以进行状态检查或诊断数据，或验证是否正确更换了一个单元。

博世力士乐的埃里克森将这方面的伺服增强称为“电子铭牌”。力士乐伺服电机的反馈装置中内置了一个存储芯片，该芯片允许控制器在通电时识别特定的连接电机。该功能确保在更换时安装正确的电机;它还通过提供诊断信息来简化电机维护。他补充说:“这让必须与设备打交道的人的生活轻松了很多。”

安川电机西格玛II伺服电机(旋转和线性)包括智能编码器反馈到数字驱动器。上电后，放大器可以查看下游，自动识别连接到系统的所有电机;串行网络用于通信。智能反馈还处理伺服电机的最佳换向，以获得最佳性能。其他伺服系统供应商也提供电子电机识别版本。

易用性;软件的作用

根据Baldor电气公司(Fort Smith, Ark)的说法，紧凑的嵌入式伺服运动控制已经成为现实。运动控制产品经理John Mazurkiewicz说:“更好地使用硅和改进的散热器设计可以减小尺寸。”他以Baldor的MintDrive为例，介绍了当今更小的嵌入式控制，其中包括可编程运动和电机控制。“将这两种功能放在同一个外壳中，既节省了空间，又减少了布线数量。”

用户继续寻找简化或缩短伺服系统启动的功能。例如，他说，MintDrive的“全功能”自动调谐扩展到位置回路，而不仅仅是速度回路，就像大多数定位器一样。马祖凯维奇说，与此同时，客户也在寻找具有精简功能的专用控制装置，以降低成本。这是一个“少变多”的例子。

客户对易用性的需求正在推动伺服控制向更简单的设置编程。一个机会出现在具有可重复点对点移动的应用程序中。“非程序员”喜欢新硬盘内置的预设动作，因为他们只需使用简单的设置表输入目标位置和速度，然后选择预设动作并触发设备。马祖凯维奇补充说，“该控件会自动生成动作代码。Baldor的Flex+Drive提供16个预设动作(可扩展到256个)。

Baldor英国有限公司(Bristol, U.K.)的技术总监Mark Crocker指出，伺服产品的上市时间越来越紧迫。他认为模块化编程方法是快速设计的必要条件，同时采用智能伺服驱动器和运动控制器。

高级语言可以为设计师提供很多东西。子程序和函数提供了模块化源代码的方法，使代码更容易遵循和理解。克罗克说，移动序列、菜单或I/O序列可以被封装成一个自包含的函数或子程序，很容易从程序内部调用。当子程序包含参数时，可以更有效地修改子程序以适应应用程序。它们还可以作为可重用的构建块，以更快地响应新应用程序。Baldor的Mint高级运动语言支持模块化编程功能，其中包括子程序、事件处理、多任务处理和本地数据。

软件在伺服系统中的重要作用在博世力士乐也很明显。其中基于软件的功能是电子示波器功能和诊断显示在清晰的文本，而不是晦涩的代码。

“为机器编程提供一个共同的环境”是几家伺服运动供应商反复提出的主题。GE发那科自动化公司(GE Fanuc Automation)运动解决方案产品经理保罗•德斯廷(Paul Derstine)说，这是控制架构发展的一部分，将更多的运动编程推向主机。他说，虽然整体趋势可能是整合所有自动化，但“没有通用的解决方案”。“基本的问题仍然存在，比如控制情报应该放在哪里。”

GE发那科最新版本的simplicity Machine Edition提供了一个在软件中集成运动系统的例子。运动功能驻留在“运动开发者”(三个集成元素之一)中，用户可以为GE发那科S2K系列运动控制器创建运动控制“块”或程序。德斯廷解释说，软件环境对新手来说并不可怕，但高级程序员可以根据需要深入学习，甚至可以深入到母语。