集成，智能电机和控制将在您的未来
一种新兴的运动控制产品——将电机、驱动器、控制器、处理智能、反馈设备、I/O点、通信等集成在一起——无法简单命名。有的系统把所有的元件都加到马达上，有的只加几个。集成，智能电机和控制(I2MC)单元是这里使用的标签名称，尽管一些系统co。
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一种新兴的运动控制产品——将电机、驱动器、控制器、处理智能、反馈设备、I/O点、通信等集成在一起——无法简单命名。有的系统把所有的元件都加到马达上，有的只加几个。集成的智能电机和控制(I2MC)单元是这里使用的标签名称，尽管所涉及的一些系统在集成方面比智能更重要。“智能”的定义往往在制造商的眼中。
该技术的功能范围可达多轴协调运动，CNC路径轮廓和负载的精确定位。广泛的应用范围从装配、材料处理和包装系统到机器人和半导体生产。
I2MC方法促进分布式控制。同时，它需要更多的规则来实现，并对整个系统架构进行预先规划和设计。集成的原因是为了消除对单独控制框的需求，减少电机和控制器之间的布线，最大限度地减少长电缆运行带来的电子干扰，以及降低系统成本。
QuickSilver Controls Inc.市场总监埃里克•邓恩(Eric Dunn)解释说，构建可扩展系统的可能性则不那么明显。例如，如果一个四轴运动系统必须扩展到六轴，则可能会在传统设计中添加第二个四轴控制器。这比简单地增加两个集成伺服轴成本更高。
QCI断言安装成本I2MC组件的功率小于由传统组件制成的同等功率伺服轴。对于紧凑性或控制空间没有太大价值的应用程序，则提供了一个例外。安装成本包括硬件、布线、组装时间和控制框(包括其占用空间的成本)。
西门子能源与自动化公司(Alpharetta, Ga.)还指出，取消单独的控制柜可以显著节省成本和空间。此外，运行一个集成系统只需要两根电缆(电源和通信)，西门子E&A通用运动控制驱动产品经理John Krasnokutsky解释道。对于额外的运动轴，电缆很容易以雏菊链的方式延伸。
在西门子看来，总(安装)成本有利于集成设计，因为布线更少，使用24/48 V低压直流输入。
I2MC产品制造商一致认为，集成系统的成本低于类似尺寸和功率的标准单元。
起飞缓慢
施耐德电气(Schneider Electric, North Andover, Mass.)的运动营销经理Robb Dussault认为，机电一体化是一个不断发展的过程，它在过去十年里才开始成熟。在电子方面，微处理器和数字信号处理器(dsp)必须具备增加有意义的智能的能力，例如，进行运动路径规划。
施耐德电气运动产品业务发展经理Mark Olton提醒说，即使有明显的工业效益，向新技术的转变也进展缓慢。“真实的或公认的需求促进接受新技术;否则就会出现‘如果没坏就别修’的综合症。”他补充道。
据Animatics公司总裁兼首席执行官罗伯特·比格勒(Robert Bigler)称，这项技术的普及速度慢于预期，原因包括用户对现有产品感到舒适的抵制，以及一些合理的限制。介于两者之间的是对I2MC封装的误解，例如对热、电噪声和振动的敏感性。比格勒认为这些担忧是不合理的，他引用了在许多工业用途中将编码器与电机集成的公认做法。
他给出了这样的经验法则:“集成伺服系统可能不适合需要分辨率反馈的地方，比如在过热、防爆或核应用中。”
Animatics是综合伺服定位系统的先驱，其专利和产品可追溯到1994年。今天，它可能拥有最广泛的产品线，其SmartMotor可在NEMA 17到56帧尺寸。后者单位产生约10马力的峰值输出。
不过，到目前为止，整体相对较低的功率范围限制了I2MC技术的使用。西门子电子与处理公司的重点主要放在其他更高功率的驱动器上。其集成伺服定位系统，Simodrive Posmo A，提供两种输出电平:75和300 W在24/48 V dc。各种变速箱可以成倍转矩输出。运动控制器包括速度、位置和电流循环。Posmo A(“定位马达”)于2001年1月在北美发布，在欧洲早得多。更高功率的Posmo SI(伺服集成)将于2002年1月上市。它的额定功率为1.9至5.7 kW，并在600 V直流电源下运行。
施耐德电气的奥尔顿还认为，I2MC产品相对较低的功率输出是其更广泛使用的一个固有限制。虽然更大的单元是可能的，但随着放大器封装尺寸的增长，空间和成本节省的基本优势已经丧失。“我们不能指望用一种方法解决所有应用，”他说。当然，最大尺寸因供应商而异。
奥尔顿先生认为，对于通常的单元尺寸和“正常”负载循环，加热效应不会对控制电子器件造成损害。然而，对于更大的尺寸和功率输出，加热效应可能是一个问题。
施耐德电气的产品是Telemecanique IclA(集成闭环执行器)，这是一种专为oem设计的伺服定位系统，通过CANopen(连接到DeviceNet和CANbus)联网。IclA驱动器自1999年在欧洲销售以来，已于2001年在美国项目基础上上市，并于2002年第二季度开始现货供应。
据QCI的邓恩说，直到最近，支持I2MC系统所需的处理器、内存和其他元素的能力有限，或者成本高昂。如今越来越小的处理器的能力得到了很大的改进，这也扩大了可能性。他解释说，与改造相比，新的应用更青睐这些集成单元，因为设计师可以更好地使它们适应工厂的整体控制结构。QuickSilver Control的产品线是NEMA 17、23和34型号的SilverMax家族，包括IP65冲洗选项。SilverMax采用步进电机拓扑结构，在闭环伺服控制下运行。
其他一些I2MC产品包括来自Werner Riester GmbH (Ostfildern, Germany)的Milan Drive，集成了交流伺服电机、放大器、微控制器、解析器、I/O点和各种选项;来自Andrive Antriebstechnik GmbH (Bremen, Germany)的“Benjamin”，是一种低功耗的交流伺服电机、驱动器、编码器和通信的组合产品;以及博丁电气公司(Bodine Electric Co.)。IntegraMotor，它结合了无刷直流电动机、驱动器、霍尔效应反馈和减速器(在某些型号上)。
大多数集成产品具有串行通信(RS-232/485)，并可选配其他网络总线。欧洲产品往往包括一个网络总线作为标准产品。操作界面选项包括PC机、PLC、触摸屏、液晶显示器等。更多关于产品和操作界面的详细信息，请参见www.globalelove.com。
不是每个人都适合
集成电机/控制器技术有其局限性-真实的和可感知的。邓恩认为，这种紧凑的设计向客户传达了一种“更小更少”的形象，尽管小体积中包含了强大的功能。由于mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)的显著进步，这些单元的电流处理能力也可能会产生误导。
邓恩指出，该技术在极端环境条件(高温、防爆)、缺乏专用电机(超高速)以及实用的高端功率输出方面存在实际限制。随着电机尺寸的增长，空间和电缆节省减少。控制器和机载电源的尺寸也增加了。他认为集成电机/控制器单元主要用于新应用，而不是改造。
Animatics的比格勒提到，将集成伺服系统与传统系统的伺服电机部分进行比较往往是不公平的。实际上，由于嵌入式控制器、内部连接和热管理要求，集成电机“变得”更大更重了。他说，这消除了它在一些高度重量敏感的机器人手臂系统中的应用。“然而，与传统伺服方法相比，集成设计提供了最高的扭矩密度。”
团团步进
一些制造商选择围绕步进电机集成他们的运动控制系统，它提供低速扭矩优于等效体积的伺服电机，以及更简单的控制。缺点是步进电机的相当快的下降扭矩在较高的速度。步进电机系统的例子如下。
Whedco(安娜堡，密歇根州)，GE发那科自动化的子公司，将其步进电机立方体称为“空间意识，高性能”设备，适用于面板空间稀缺的应用。Cube以传统的开环模式工作，由集成控制器/放大器、NEMA 23步进电机和DeviceNet连接组成。
最近，Whedco在步进电机Cube中添加了失速检测功能。无传感器的方法监测和警报失速的发生，省去编码器，额外的布线和复杂的编程。为了对给定的应用程序进行失速检测，该算法使用了三个可配置参数——失速速度阈值、失速灵敏度和总线电压。这些参数可以通过DeviceNet的隐式I/O和显式消息传递协议访问。立方体可以检测位置和速度运行模式的失速。
NEMA 34“立方体”正在开发中，将在2002年上市。
智能运动系统公司(Marlborough, Conn.)将NEMA 17和23步进电机与驱动电子集成在一个包中。配置包括一个光学编码器。操作从低直流电压，MDrive 17 (12- 48v dc)和MDrive23 (12- 24v或24- 75v dc)提供简单的设计;微步进(1/2-256微步/步，多达14个分辨率设置);以及速度控制，现在包括0-5 V dc, 4-20 mA和PWM输入。
Sonceboz SA(瑞士Sonceboz;纽约州Plainview)在其8000系列机电系统中集成了步进电机或线性执行器与电力电子、控制处理器和传感器/控制接口。多个单元可以通过can、串行总线(RS-485)或其他数据网络进行耦合。与该产品相关，Sonceboz提供了一个名为Dynastream的系统概念，据称可以优化特定运动应用中的性能参数。
网络，前方的小单位
施耐德电气表示，智能伺服产品的增长将在很大程度上取决于运动系统联网的进展。Olton先生列出的其他驱动因素是在机械控制空间、电缆和安装成本方面的潜在节省。
QuickSilver Controls认为集成伺服技术的应用将在未来几年不断增长。它将使用与传统伺服系统相同的工具——先进的驱动电子设备、更快的处理器和更智能的总线/网络结构——向前推进。在较短的时间内，更高级别的总线(CANbus、DeviceNet、以太网等)和协调运动正在被添加。
扩展到比NEMA 56帧(或同等尺寸)更大的尺寸是另一回事。QCI的邓恩说，客户并没有要求这么大的尺寸。然而，小型终端的发展是可以预期的。尺寸11的集成伺服可以期待不久，只要编码器分辨率和其他空间敏感的设计挑战得到满足。他总结道:“较小尺寸的市场就在那里。”
西门子电子与管理公司认为，人们对集成伺服定位系统越来越感兴趣，尤其是在欧洲。克拉斯诺库茨基说:“因为Posmo对美国来说太新了，没有多少潜在用户知道它，也没有多少用户知道它可以提供的易用性。”“这是另一个需要宣传如何以及在哪里应用这些产品的例子。我们需要改变心态。”他预测了这项技术的规模和能力的增长。
Animatics也认为I2MC系统有着光明的未来。成本更低，但性能更强，更耐温度的微处理器，加上mosfet和功率模块的日益强大，是其他领域并行集成趋势的驱动力。“集成伺服定位系统最终将在其尺寸范围内占据100%的市场份额，”比格勒非常热情地说道，但他没有给出确切的时间框架。他补充说:“在这种最优雅的设计中，集成伺服系统准确地知道电机的温度、电压和电流状态。”
由于对更高功率应用的要求很少，因此在目前的机组尺寸上几乎没有增长。然而，“更小”更流行。Animatics公司设计了NEMA 11系统，正在寻找客户。
驱动研究公司的卡波奇先生说:“尽管到目前为止它们的用途有限，但这些新的‘机电’驱动器的增长即将到来。随着基于pc和基于网络的分布式控制和通信架构在工厂自动化和其他应用中发挥更大的作用，对智能伺服驱动器的需求预计将出现增长。”
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智能集成伺服驱动器的增长速度加快
专注于电机和驱动器的市场研究公司drives Research Corp.总裁汤姆•卡波奇(Tom Kaporch)说，智能集成伺服驱动器在目前全球伺服驱动器市场总额逾40亿美元的市场中所占份额不到1%。“然而，在未来5年里，整个伺服驱动器市场的增长率预计将是现在的两倍以上，之后甚至会更高。”这意味着未来五年的复合年增长率将超过11%。
Drives Research Corp.指出了智能集成的三个新兴趋势:
将伺服放大器与驱动逻辑相结合的集成(而非模块化)电子封装占总市场的30%以下;
在电子驱动器中嵌入运动控制器(智能)的比例不到10%;和
集成电机和电子驱动的比例不到1%。
卡波奇给出的智能集成系统的适度数字仅指能够动态响应的高性能“伺服驱动器”(电机和电子设备)。他解释说，对于非伺服无刷电机驱动器(例如，用于汽车应用)，电机-驱动集成的比例约为8%，并且增长迅速。有关这些应用程序的更多信息，请参阅在线额外
Intex管理服务有限公司(IMS, Wellingborough，英国)报告了大致类似的市场数据从其欧洲的研究“伺服电机与集成驱动器”。IMS在1998年将这些产品的欧洲市场规模量化为330万美元，到2001年增长到800万美元左右。在2001年8月IMS对整个伺服市场的研究中，北美集成产品的市场规模“不太清楚……由于国内厂商数量较少，”IMS美国工业集团(奥斯汀德克萨斯州)主管阿德里安·劳埃德说。不过，劳埃德估计，这个市场目前的规模还不到1,000万美元。
IMS对用户态度的进一步调查显示，欧洲和美国用户对这些产品的未来使用非常感兴趣，尽管“数量相对较低”。IMS看到了更多应用的明确趋势，但预计集成伺服电机和驱动单元仍将是一个市场利基。一个潜在的因素是目前大多数主要制造商缺乏兴趣。(详情请浏览
与此同时，集成伺服电机和控制单元制造商对现有和未来的市场充满信心。
直线运动也整合了智能
当线性运动是期望的输出时，综合智能的需求并不会减少。线性世界中的一些简化来自执行器设计，包括轴承、滚珠丝杠或其他旋转到线性运动转换器的支撑结构，提供了一些空间来集成额外的元素。
Adept Technology Inc.(位于加州圣何塞)就是一家将集成和智能应用于其柔性自动化系统和机器人产品的公司。爱得宝在其最新的SmartAxis系列中集成了功率放大器和运动控制器，而SmartAxis系列又被包装成一个由伺服电机驱动的独立单轴线性运动模块。Smart-Axis只需要控制信号和电源输入即可运行。营销副总裁乔·坎贝尔解释说，运动控制器位于放大器而不是电机中，通过DSP运行爱德普V+机器人编程软件的嵌入式子集，提供轨迹规划和高级伺服回路控制。
坎贝尔先生说:“我们的想法是将控制器和CPU功能整合到放大器中，然后再整合到机制中。”“这种设计节省了电缆空间，这变得非常昂贵，特别是对于机器人电池。”
对于多轴直线运动(2-4轴)，Adept提供smartmodule，将伺服电机、电力电子和伺服处理集成到单元中。(欲了解更多信息，请参阅Online Extra
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