之前咱們談了伺服選型需要了解哪些方面的應用(yòng)需求，有(yǒu)了這個基礎咱們就可(kě)以深入聊聊伺服選型究竟是怎樣一個過程了。






正如我們反複提到過的，伺服是一種為(wèi)機電(diàn)設備所需的運動操作(zuò)提供控制的動力傳動裝(zhuāng)置，因此，伺服系統的設計選型，其實就是給設備的機電(diàn)運動控制系統選擇合适的動力和控制組件的過程，它所涉及到的産(chǎn)品主要包括：
用(yòng)于對系統中(zhōng)各軸運動姿态進行控制的自動化控制器；
将電(diàn)壓、頻率固定的交流或直流電(diàn)轉換為(wèi)伺服電(diàn)機所需的受控動力電(diàn)源的伺服驅動器；
把驅動器輸出的交變電(diàn)源轉換為(wèi)機械能(néng)的伺服電(diàn)機；
将機械動能(néng)傳遞到最終負載的機械傳動機構；
…


考慮到市面上工(gōng)業類伺服産(chǎn)品的門派系列有(yǒu)很(hěn)多(duō)，在進入到具(jù)體(tǐ)的産(chǎn)品選型之前，我們首先還是有(yǒu)必要根據已經了解到的設備運動控制應用(yòng)的基本需求，對包括控制器、驅動器、電(diàn)機和減速機…等在内的伺服産(chǎn)品進行比較初步的篩選。




這種篩選，一方面是基于設備的行業屬性、應用(yòng)習慣和功能(néng)特點從衆多(duō)品牌中(zhōng)找出一些潛在可(kě)用(yòng)的産(chǎn)品系列及方案組合。比如：風電(diàn)變槳應用(yòng)中(zhōng)的伺服主要是槳葉角度的位置控制，但其所使用(yòng)的産(chǎn)品卻需能(néng)适應嚴苛惡劣的工(gōng)作(zuò)環境；印刷設備中(zhōng)的伺服應用(yòng)以多(duō)軸之間的相位同步控制為(wèi)主，同時會比較傾向于使用(yòng)具(jù)備高精(jīng)度套準功能(néng)的運動控制系統；輪胎設備更注重多(duō)種混合運動控制與通用(yòng)自動化系統的綜合應用(yòng)；塑機設備則會要求系統為(wèi)産(chǎn)品加工(gōng)過程中(zhōng)的扭矩和位置控制提供專門的功能(néng)選項和參數算法…。






另一方面，則是從設備定位的角度出發，根據設備的性能(néng)級别與經濟性要求，在各品牌中(zhōng)選擇相應檔位的産(chǎn)品系列。比如：如果對設備性能(néng)沒有(yǒu)太高的要求，同時又(yòu)希望能(néng)節省預算，則可(kě)選用(yòng)經濟款産(chǎn)品；反之，如果對設備運行在精(jīng)度、速度、動态響應…等方面的性能(néng)要求較高，那麽自然是有(yǒu)必要為(wèi)之增加預算投入的。


此外，還需要兼顧包括溫濕度、粉塵、防護等級、散熱條件、用(yòng)電(diàn)标準、安(ān)全級别以及與現有(yǒu)産(chǎn)線(xiàn)/系統的兼容性…等方面的應用(yòng)環境因素。


可(kě)見，對運動控制産(chǎn)品的初選很(hěn)大程度還是以各品牌系列在行業内的業績表現為(wèi)基礎的，同時，應用(yòng)需求的叠代升級、新(xīn)品牌、新(xīn)産(chǎn)品的入局，也會對其産(chǎn)生一定影響。因此，要做好運動控制系統的設計選型，日常的行業技(jì )術信息儲備還是十分(fēn)有(yǒu)必要的。


在對可(kě)用(yòng)的品牌系列進行初步篩選後，我們就可(kě)以針對它們進一步展開運動控制系統的設計選型工(gōng)作(zuò)了。






此時，需要根據設備中(zhōng)的運動軸數和功能(néng)動作(zuò)的複雜程度，确定系統的控制平台和整體(tǐ)架構。一般來說，軸數決定了系統規模的大小(xiǎo)，軸數越多(duō)，對于控制器容量的要求也就是越高，同時也越是有(yǒu)必要在系統中(zhōng)使用(yòng)總線(xiàn)技(jì )術，以簡化和減少控制器與驅動器之間線(xiàn)路連接的數量。而運動功能(néng)的複雜程度，則會影響控制器性能(néng)等級和總線(xiàn)類型的選擇。簡單的實時性要求不高的速度和位置控制隻需要使用(yòng)普通的自動化控制器和現場總線(xiàn)；多(duō)軸之間的高性能(néng)實時同步（如電(diàn)子齒輪和電(diàn)子凸輪），則要求控制器和現場總線(xiàn)都具(jù)備高精(jīng)度的時鍾同步功能(néng)，也就是需要使用(yòng)能(néng)夠進行實時運動控制的控制器和工(gōng)業總線(xiàn)；而如果設備需要完成多(duō)軸之間的平面或空間插補甚至集成機器人控制，那麽對于控制器性能(néng)等級的要求就更高了。


基于上述原則，我們基本上已經能(néng)夠從前面初選出來産(chǎn)品中(zhōng)選出可(kě)用(yòng)的控制器，并将它們落實到比較具(jù)體(tǐ)的型号了；再依據現場總線(xiàn)的兼容性，便可(kě)從中(zhōng)挑選出可(kě)與之匹配的驅動器及對應的伺服電(diàn)機的選項，但這還隻是停留在産(chǎn)品系列的階段。接下來，我們就需要根據系統的動力需求來進一步确定驅動器和電(diàn)機的具(jù)體(tǐ)型号了。




 
按照應用(yòng)需求中(zhōng)各軸的負載慣量和運動曲線(xiàn)，通過簡單的物(wù)理(lǐ)學(xué)公(gōng)式 F = m · a 或者 T = J · α，不難計算出它們在運動周期中(zhōng)各時間點的扭矩需求。我們可(kě)以将各運動軸在負載端的扭矩和速度需求按照預設的傳動比折算到電(diàn)機側，并在此基礎上加以适當的裕量，逐一推算出驅動器和電(diàn)機的型号，快速拟定系統草(cǎo)案，以便在之後進入大量細緻繁瑣的選型工(gōng)作(zuò)前預先對備選産(chǎn)品系列進行性價比的評估，從而縮減備選方案的數量。


不過，我們并不能(néng)将這個由負載扭矩、轉速需求和預設傳動比預估出來的配置作(zuò)為(wèi)動力系統的最終方案。因為(wèi)，電(diàn)機的扭矩和速度需求是會受到動力系統的機械傳動方式及其速比關系的影響的；同時，電(diàn)機自身慣量對于傳動系統來說也是負載的一部分(fēn)，電(diàn)機在設備運行過程中(zhōng)所驅動的是包括負載、傳動機構和自身慣量在内的整個傳動系統。






從這個意義上說，伺服動力系統的選型，并非僅僅是根據各運動軸的扭矩和轉速…等傳動參數的計算去選取電(diàn)機和驅動器（充其量可(kě)稱作(zuò)估算吧），而是要為(wèi)系統中(zhōng)的每個運動軸匹配合适的動力裝(zhuāng)置。原則上它其實是基于負載的質(zhì)量/慣量、運行曲線(xiàn)、以及可(kě)能(néng)的機械傳動模型，将各款備選電(diàn)機的慣量值與驅動參數（矩頻特性）代入其中(zhōng)，比較其扭矩（或力）與速度在特性曲線(xiàn)中(zhōng)的占用(yòng)情況，找到最優組合的過程。大體(tǐ)來說，需要經曆以下幾個步驟階段：
 
基于各種傳動方式選項，将負載與各機械傳動組件的速度曲線(xiàn)和慣量映射到電(diàn)機側；
将各備選電(diàn)機的慣量與映射到電(diàn)機側的負載與傳動機構的慣量疊加，結合電(diàn)機側速度曲線(xiàn)得出扭矩需求曲線(xiàn)；
比較各種情況下的電(diàn)機速度扭矩曲線(xiàn)的占比和慣量匹配情況，找到驅動器、電(diàn)機、傳動方式和速比的最優組合。
 




早前“選型的姿勢”一文(wén)所描述的其實就是這樣一個動力系統匹配的流程。


由于上面這幾個階段的工(gōng)作(zuò)是需要針對系統中(zhōng)的每個軸展開的，因此，伺服産(chǎn)品的動力選型工(gōng)作(zuò)量其實是非常巨大的，運動控制系統設計的絕大部分(fēn)時間通常都會消耗在此處。前面提到要通過扭矩需求預估型号，以減少備選方案數量，其意義也就在于此。


而在完成這部分(fēn)工(gōng)作(zuò)之後，我們還應根據需要确定驅動器和電(diàn)機的一些重要的輔助選項才能(néng)最終确定它們的型号，這些輔助選項包括：
如果選用(yòng)了共直流母線(xiàn)型驅動，需根據櫃體(tǐ)分(fēn)布情況确定整流單元、濾波器、電(diàn)抗器和直流母線(xiàn)連接組件（如：母線(xiàn)背闆）的型号；
根據需要為(wèi)某個（些）軸或整個驅動系統配備制動電(diàn)阻或再生制動單元；
旋轉電(diàn)機的輸出軸是鍵槽還是光軸，是否帶抱閘；
直線(xiàn)電(diàn)機需根據行程長(cháng)度确定定子模塊的數量；
伺服反饋協議及分(fēn)辨率，增量還是絕對，單圈還是多(duō)圈；
…




至此，我們就已經将各備選品牌系列在運動控制系統中(zhōng)從控制器到各運動軸伺服驅動器、電(diàn)機的型号乃至相關機械傳動機構的關鍵參數都确定下來了。


最後，我們還需要為(wèi)運動控制系統選定一些必要的功能(néng)組件，例如：
幫助某個（些）軸或整個系統與其他(tā)非伺服運動組件進行同步的輔助（主軸）編碼器；
用(yòng)于實現高速凸輪輸入或輸出的高速 I/O 模塊；
各類電(diàn)氣連接線(xiàn)纜，包括：伺服電(diàn)機動力電(diàn)纜、反饋和抱閘電(diàn)纜、驅動器與控制器之間的總線(xiàn)通訊電(diàn)纜...；
…


這樣，整個設備伺服運動控制系統的選型工(gōng)作(zuò)就基本完成了。


總的來說，設備自動化系統中(zhōng)的伺服産(chǎn)品的選型還是一個比較繁瑣複雜的過程。尤其是随着目前制造業自動化程度的不斷提升，運動控制技(jì )術在制造業的應用(yòng)日趨普及，産(chǎn)線(xiàn)設備中(zhōng)的伺服産(chǎn)品越來愈多(duō)，且各項要求也越來越高，這些都讓設備運動控制系統的選型變得更具(jù)挑戰。在這種情況下，引入相應的伺服選型工(gōng)具(jù)就顯得十分(fēn)必要了。當然，這就是另外一個話題了。