什么是集成驱动伺服电机

发布时间：2017-08-09 来源：智造商

　　集成驱动伺服电机，顾名思义，就是一台集成了伺服驱动器的伺服电机。

　　也就是将伺服驱动器和伺服电机整合在一起的集成一体化产品。
　　老实说，集成驱动伺服电机本身早已经不是什么新鲜事物了，早在十多年前 Indramat 就已经基于这个概念发布了其第一代集成驱动伺服电机产品 IndraDrive Mi。

　　随后几年里，各大运控厂商纷纷陆续发布各自的集成驱动伺服电机产品，例如：小贝家的 ACOPOSMotor，罗家的 Kinetix 6000M，ELAU 的 iSH，Danfoss 的 ISD、以及西家的 SINAMICS S120M...

　　那么，到底是基于怎样的用户需求，运控厂商们要扎着堆儿的推出这些集成驱动伺服电机产品呢？以及，对于运控系统的设备应用来说，将伺服驱动器与电机集成到一起成为一个产品，又有着怎样的意义和价值呢？
　　关于这样的问题，还是得先回到咱们的运控设备系统，从伺服（驱动和电机）产品的应用场景中寻找答案。
　　想象有这样一台大型（运控）设备或生产线。

　　产线上需要用到很多伺服轴（伺服电机）。

　　传统的伺服电机，和为其提供动力电源的伺服驱动器，是两个相互独立的产品元件。前者被安装在设备现场，连接并驱动机械传动负载；后者被置于电气柜内，为伺服电机提供可按需调节的动力输出。

　　显然，由于伺服轴较多，在使用这种分立式伺服驱动器与电机产品的硬件系统布局时，设备产线上必须要有内部空间体积足够大的电气柜来承载与伺服电机数量相当（对应）的伺服驱动器，因此，大量伺服驱动器在柜内集中安装带来的首要问题就是设备的空间占用。

　　与此同时，运控设备系统的自动化程度正在变得越来越高，相应的，其伺服轴数也必定会越来越多，因此，即使是使用了共直流母线、书本式结构、甚至双轴（甚至三轴）模块的设计，只要伺服驱动器依然保持这种传统的柜内安装布局，其大量占用设备物理空间资源的现状和趋势，仍然不会从根本上发生改变。

　　除了电气柜体积的增加和设备空间资源的占用，大量伺服驱动器在电气柜内的集中安装，还会造成一系列应用成本的增加。例如：需要更大功率的柜内散热通风装置（如空调）以帮助密闭空间内的这些功率元件冷却降温、复杂的电气柜体制作、大量柜内元件的安装 / 接线 / 集成...

　　多轴伺服驱动器在电气柜内的集中安装，还会会带来另外一件比较麻烦的事情，就是大量的伺服电机线缆。在这样的系统布局中，为了让伺服电机获得可调节的动力电流、并且反馈其运动位置状态，每台伺服电机都需要通过线缆连接到电气柜内与之对应的伺服驱动器的动力、反馈（和抱闸）端口上。可想而知，这对于复杂的机械设备产线来说，其系统集成的总体成本得有多高。

　　一方面是硬件成本，包括从伺服电机电缆到桥架、线槽、接插头...等一系列线路敷设所必须的部件，它们的成本都会直接受到来自伺服轴数量和设备长度的影响；
　　另一方面，就是因为线缆的数量、线路节点和机械设备复杂性的增加，而带来的线路敷设工程成本和人工工时方面的巨大消耗，以及接线、布线时极高的出错概率和纠错成本。
　　除此以外，设备中大量的电机动力电缆，就像是无数大功率射频天线，成为电磁噪声干扰的源头和隐患，影响着系统的 EMC 电磁兼容性能、设备的稳定性和运行效率。

　　所以，简单来说，在大型多轴运控设备系统中采用传统的伺服驱动与电机分立式布局的做法，主要会遇到的问题和挑战在于：
　　■庞大的电气柜体积和空间占用
　　■复杂的设备布线和接线
　　■较高的系统应用和工程集成成本
　　接下来，我们来看一下使用集成驱动伺服电机的情况。

　　首先，伺服驱动器已经被集成到伺服电机上了。

　　这就相当于将大量的伺服驱动功率单元，从原来的柜内集中安装，分散布置到设备中各个运动工位的伺服电机轴上了。

　　此时的电气柜内，只需要安装和布置一套与集成驱动伺服电机系统配套的整流功率单元即可，比起传统采用分立式伺服驱动与电机的硬件系统布局，这将极大节省电气柜尺寸和柜内空间。

　　更重要的是，极少的柜内元器件数量，加上更小的柜体尺寸，将帮助带来各种系统成本的优化。例如：电气柜制作流程的简化、柜内元件集成和安装接线数量的减少...、更少的柜内功率元件数量无需大功率散热通风装置（如空调）......

　　而在系统的线缆连接方面，由于每个轴的伺服驱动器都已经被集成到其现场的伺服电机上了，这就直接省去了设备中大量伺服驱动器与电机之间的（动力、反馈和抱闸）线缆连接；同时，在伺服系统的电气连接方式上，目前市面上大多数集成驱动伺服电机产品都采取了菊花链式的系统拓扑结构，每台集成驱动伺服电机上都会有两种端口：直流电源动力和运控总线通讯，每种端口又各有一对：输入和输出；现场电气连接时，只需要将这些集成驱动伺服电机的这两种端口的输入和输出依次首尾相连，串行联接到电气柜中的系统动力电源（如：IndraDrive KCU）和运控总线端口。

　　可以看出，与传统分立式伺服驱动器和电机之间发散式的线缆布局相比，采用这种串行链式拓扑结构的运控设备系统，其电机线缆和电气连接点的数量将会明显减少。

　　这不仅会节省大量包括电机电缆、桥架、线槽、接插头...等在内的一系列硬件成本，还将因为线缆长度、数量和线路节点数的减少与电气系统连接的简化，帮助缩减系统集成中接线 / 布线的人工工时和工程成本，以及降低在这个过程中出错与失误的可能性和风险。
　　同时，电机动力线缆的消失、系统线缆总长度的缩短及其拓扑结构的简化，还将有助于系统 EMC 电磁兼容性能的改善，运控设备运行的稳定性和生产效率也将因此而显著提升。

　　如此看来，集成驱动伺服电机的主要价值和意义应该在于：
　　■减少系统元器件数量
　　■减少电气柜体积和设备空间占用
　　■简化设备系统的布线和接线
　　■缩减系统应用集成的工程成本和工时
　　不难发现，这类产品似乎更加适用于那些大型多轴运控设备系统，尤其是当设备产线越长、轴越多时，上面这些价值就会变得越发明显。这也是为什么一些运控产品厂商会将集成驱动伺服电机称为 On-Machine 或 Cabinet-Free 技术的原因了。

　　此外，因为伺服驱动器和电机被一起布置到了设备现场，系统连接和布局变得十分简单，这将非常有助于实现设备制造和系统集成的模块化操作。

　　例如：当需要在某（些）工位接入输入输出信号时，尤其是那些与运控应用相关、本来要连接到伺服驱动器的传感器（色标、套准...等等）和执行机构（阀门、切刀...等），就无需再像原来那样跨越整台设备将它们连接到电气柜内集中安装的伺服驱动器上了，只要把这些输入输出信号就近接到现场的集成驱动器伺服电机上的 I/O 端口即可，这样将极大简化这些现场元件的布线、接线、调试和运营维护。

　　而对于那些需要进行运动安全控制的设备，则可以基于其各工位的不同需要，更加灵活的规划安全操作区域，并为其实施相应的安全控制策略。
　　上面说了这么多关于集成驱动伺服电机技术的应用价值，那么照理说，这样的产品应该大卖才对吧？

　　可是实际情况却是，在目前运控设备市场中，我们并没有看到这些面市多年的集成驱动伺服电机产品被大批量广泛应用。
　　这又是什么原因呢？价格？还是技术？