伺服电机
发布时间：2006-07-19 作者：Frank J. Bartos，CONTROL ENGINEERING 责任编辑
紧凑的物理尺寸、直接驱动设计、不锈钢制造、行星齿轮头，甚至板载驱动也正在开发中，这些特点有助于保持伺服电机技术年年常新。
伺服电机有各种各样的类型，有许多不同的形状、大小和配置，从大型低速的直接驱动转矩电机到可优化负载加速及减速性能的光滑紧凑的低转动惯量电机，还有无机架电机以及在极高加速和速度情况下可提供高推力的直线电机。通过结合具有先进控制算法的现代伺服驱动技术，今天的伺服电机能够为用户的各种应用提供最高水平的运动控制。
为了解这一产品领域的发展趋势，Control Engineering和Reed Corporate Research—两者都从属于Reed Business Information集团（www.reedbusiness.com）—通过e-mail的方式对其订阅者进行调查，了解他们关于电动伺服电机的观点和倾向。这里所选将进行讨论的内容是基于2005年12月收到的134个订阅者的回答，他们都从事有关伺服电机的评估、规格制定、推荐、安装或采购等工作。受访者当中，51%是为自己工厂的需求而接触伺服电机，23%是为OEM（再销售）的需求，25%两者兼有。为了深入了解伺服电机是如何在项目当中实施，最新的调查发现新应用占据了购买总数的52%，而电机改造和更换所占的比例分别为22%和26%。这些结果与2004年和2003年的调查非常相似。无刷伺服电机处于市场统治地位，有90%的受访者倾向于采用无刷伺服电机，相比之下只有10%的受访者希望使用有刷直流伺服电机。
受用户欢迎的特点
根据58%的受访者意见，价格依然是到目前为止伺服电机最重要的功能特点；紧随其后的是标准NEMA尺寸（43%），电机安装的类型（38%）和EMI/RFI保护（38%）。这些选项中“非常重要”的特点在上一次调查（2004年）中的排列顺序分别是第一、第二、第六和第三。至于被列为“非常重要”的性能特点，被人选择最多的分别是安装/整定软件、高输出转矩（连续的）和低速时的高转矩输出。
Rockwell Automation公司赞同在许多应用当中电机高转矩输出的重要性，这些应用包括材料的处理和包装过程。今天，人们可以通过比传统伺服电机更加紧凑、更高功率密度的技术获得上述能力——例如Allen-Bradley公司的MP-Series电机，Rockwell公司Kinetix Motion Control部门的产品营销经理Tom Strigel解释道。“能够在狭小的空间中应用大功率的电机，可以使建造机械设备的结构更加紧凑、重量更轻，在很小的占地面积内进行大规模生产将变得更加灵活，”他说。
Strigel引证了一个显著的工业发展趋势，这就是由于伺服运动控制系统在生产力上的提高，使其扩展到了以前无法应用、对清洁程度有极高要求的工业领域，例如食品/饮料行业、酿造行业和生命科学行业。Rockwell Automation公司预见到了这种需求并且开发了2种适合此类应用的产品系列：MP-Series食品级电机和MP-Series不锈钢电机。
软件是关键
除了外部环境的需要，在Baldor Electric公司，伺服系统的相关软件已经被转换成非常便于电机设置和调整的形式，并且具有自动整定功能，其在伺服系统领域扮演着非常重要的角色。Baldor Electric公司的伺服产品经理John Mazurkiewicz宣称，Baldor Electric公司的自动整定程序在设定电流回路、速度回路和位置回路等方面具有独特的优点。“基于Microsoft Windows的图形化工具使用户可以在‘软件示波器’上看到许多不同的参数，这使工程师可以对动态反应进行精细的调整，并且监视机器的I/O点和其它关键机械参数，”他说道。设置软件中还具有低通滤波器与陷波滤波器，可以对机械谐波进行过滤。
而且基于软件的控制还可以实现变增益设置，即许多参数可以被存储起来，在需要时进行方便的切换。“这种功能可以用于负载变化的应用，例如具有不同切削刀具的车床或是搬运不同负载的机械臂。由于具备了自调节能力以适应负载的变化，自适应控制的应用将会变得更加广泛。”Mazurkiewicz补充道。
Baldor公司提到的发展趋势还包括高级的线型计数编码器反馈，例如SSI（串行同步接口），以及运动绝对编码器。具有更高分辨率的编码器能够为伺服电机提供更好的速度控制和更高的位置精度。但是要在北美市场实现广泛的应用，Mazurkiewicz认为绝对编码器还需要显著降低其价格。
Baldor公司同样提到了伺服电机在处理苛刻的食品工业以及包装工业应用中的能力，比较典型的是应用于高压冲洗。该公司的不锈钢无刷电机已经达到或是超过了烘烤行业的卫生要求。
设置和整定软件的灵活性也受到了极大的重视。Emerson Control Techniques公司自称其伺服驱动技术能够适用于很多类型的伺服电机。该软件允许用户从一个下拉式菜单中选择相应的电机，或是用户自己定制一个电机，它还可以使用一个简单的内置自整定程序来确定电机的特性，Emerson Control Techniques公司的战略规划经理Shane A. Beilke解释说。“我们的状态空间控制算法可以使驱动器在很大的惯量不匹配范围内运行，大大减少了整定时间。”
Control Techniques公司指出的伺服电机发展趋势还包括：
■ 进一步的设计，使其尺寸更紧凑、具有更高的转矩密度；
■ 在给定的框架及堆放长度下，拥有更高的速度以及多种速度等级；
■ 随着价格变得更有竞争力（伺服电机的性能/质量与接近步进电机的价格），伺服电机不断替换步进系统；而且
■ 高性能反馈设备；不断增加的线密度和绝对编码器。
更小、更强大的单元
对小型电机性能要求的不断提高促使小型电机的速度和加速性能不断改善，对伺服整定的更好需求也在不断加强。“合适的伺服系统整定为发挥机械设备的潜在性能奠定了基础，”GE Fanuc公司CNC部门的产品经理Paul Webster说道。“在增加新的控制器特性之前，特定的整定软件可以确保一个扎实的基础。”
GE Fanuc公司采用名为Fanuc Servo Guide的软件进行伺服系统整定，该软件将直观的参数设定、测试程序生成、图形功能和伺服整定向导等特性集成在一个PC软件包里。Webster指出，这种类型的程序对于新用户和有经验的用户都很有吸引力。新用户无需具备许多系统知识就可以利用Fanuc Servo Guide软件一步一步地进行初始伺服整定，而熟练的用户有访问每个系统参数和特性的权限。
“同步伺服电机能够在其速度范围内的任何工作点产生很高的动力输出，而且还可以保持很小的占地面积，” Webster说道。然而设计高功率电机时，通常需要在高转矩和输出平滑度之间进行折衷（对于CNC应用而言），他解释道。为了达到较好的平衡，你需要设定适当的磁场强度，在增加转矩输出的同时限制扰动。“采用有限元分析方法设计内置式永磁（IPM）电动机，并使用高密度的稀土磁体，可实现功率和精度之间很好的平衡。”他补充道。
更多网络化
本次最新调查显示51%的受访者已实现了其伺服电机的联网，而在2004年和2003年的调查当中，这一比率分别为29%和36%。DeviceNet和以太网在受欢迎程度方面并驾齐驱，2006年在联网的电机当中它们所占的比率分别为57%和55%。而在2004年和2003年的调查当中，这一数字分别为DeviceNet（51%、71%）；以太网（56%、59%）。此外，数次调查在对以太网的未来预期当中，选择“计划使用”者的比例一直超过选择“目前使用”者的比例。在最新调查当中，选择在未来12个月当中计划采用以太网的受访者的比例以73%的比例遥遥领先。
目前在使用的其它网络技术还包括SERCOS 55%（2004年为39.9%）、Profibus 38% (2004年为36%)、Modbus 35% (2004年为32%)、Ethernet Powerlink 18%（2004年后的新增选项，有34%计划采用）以及Firewire 15% (2004年为6%)。
通过调查还发现：
■ 用户倾向于购买相互匹配的电机和控制器（71%的受访者）；
■ 3000 rpm或更低的电机转速能够满足71%用户的要求，只有8%要求转速达到6～10 krpm，6%要求转速超过10000 rpm；
■ 30%的受访者目前使用直线伺服电机，另有27%计划在下一年采用；
■ 平均而言，每个受访者在过去一年里花费在伺服电机上的费用为140600美元。
伺服电机产品
如果需要了解更多本文提到的产品信息，请访问如下列出的网址。
低惯量、小尺寸的伺服电机
Rockwell Automation公司的Allen-Bradley MP-Series低惯量（MPL）伺服电机家族现在推出了2种新规格的伺服电机（63mm和75mm），该伺服电机系列产品能够为用户提供紧凑的、模件化设计的产品，适合于需要低转矩和低重量的应用。该规格电机的工作电压可高达460V，能够持续产生范围在0.25～2 Nm (2.2～17.7 lb-in.)的转矩，可以广泛应用于运动控制领域。MPL伺服电机家族新增的这2种产品为OEM提供了更多的灵活性，使其设计的机械设备可以更好地符合用户要求，Rockwell Automation公司的产品经理Adam Shively说道。
www.rockwell.com
Rockwell Automation公司
全不锈钢无刷伺服电机
Baldor Electric公司的SSBSM-Series (不锈钢无刷伺服电机)是为食品/液体和高洁净度的应用而设计。该系列电机采用全不锈钢设计，主轴、壳体和连接器都是不锈钢材质，使其适用于制药和食品加工过程。SSBSM-Series伺服电机包括符合食品工业标准的FDA主轴密封和轴承润滑。这种电机还可以用于非常苛刻的、腐蚀性环境。SSBSM-Series电机的设计可以抵御高达1500 psi的高压冲洗，其防护等级达到了IP67。其它设计细节还包括采用激光将铭牌信息蚀刻于电机壳体，以消除可能黏附细菌的表面。该伺服电机得到了UL/CE/CSA 和BISSC（焙烤食品工业卫生标准委员会）的认可。
www.baldor.com
Baldor Electric公司
最大功率450kW的伺服电机
GE Fanuc公司的iS 3000/2000HV伺服电机能够产生高达3000 Nm（2,210 lb-ft）的堵转转矩和最高450 kW的峰值功率。该电机采用了内置式永磁体（IPM）的设计和稀土磁体。使人印象最深刻的是其仅1.5吨（3,300 lb）的重量，据称，该电机的设计紧凑得令人吃惊。通过选装的16-million ppr编码器，iS 3000/2000HV伺服电机能够提供很快的加速和精确的位置控制。4个放大器用以驱动电机的4个独立绕组，这使电机在减速时能够采用较小的标准组件向电网提供再生电流，可节省超过40%的电能。
www.gefanuc.com
GE Fanuc Automation公司
行星齿轮伺服电机产品获得增长
紧凑的设计和改进的动态响应，是Siemens E&A公司新的1FK7-DYA伺服电机系列产品的亮点。该系列电机的前端外盖集成了行星齿轮，这使电机长度明显缩短；并且，与通过离合器连接分离的电机和齿轮的系统相比，1FK7-DYA系列产品能够提供更好的动态响应。1FK7-DYA紧凑型伺服电机有4种尺寸规格，齿轮的变速比为5:1和10:1。最大输出转矩范围从32 到233 Nm (23.6到172 lb-ft)，最大转速为1200 rpm。
www.sea.siemens.com
Siemens Energy & Automation公司
伺服电机创造“价值”
Emerson Control Techniques公司新的XV伺服电机系列产品能够以紧凑的尺寸为用户提供高性能、低惯量及高转矩。据公司宣称，该产品以低廉的价格为用户提供了特性超值的伺服电机。为了以较小的尺寸提供较大的输出，XV系列伺服电机有4种尺寸规格：40、60、80和130mm，速度从2000到5000 rpm。该电机系列很好满足了需要0.9到100 lb-in (0.1到11.3 Nm)连续转矩的应用要求。XV系列伺服电机的防护等级为IP65，正在办理CE和UL认证。
www.emersonct.com
Emerson Control Techniques公司
具有很宽转矩范围的伺服电机系列
Yaskawa公司的Sigma II系列伺服电机有35种规格尺寸，峰值转矩从13.5 oz-in.到14,558 lb-in (95 mNm到1,650 Nm)。Sigma II系列伺服电机在各工业行业中有着非常广泛的应用，包括包装、车床、印刷、食品加工、机器人、纺织、组装和半导体加工机械。Yaskawa公司早在1984年就推出了无刷交流伺服电机。今天Sigma II伺服电机系统包含了110 V单相、230/480 V三相、增量型或绝对型反馈功能、停机保持、直线高转矩直接驱动等选项，还包括适用于狭窄安装空间的电机单元，以便满足各种不同用户的需要。
www.yaskawa.com
Yaskawa Electric北美公司
具有集成驱动器的伺服电机
Bosch Rexroth公司新的IndraDrive Mi是一种安装在电机上的模块化、高度集成的伺服驱动器。该驱动器安装于电机顶上，将电机的壳体作为散热片，完全不同于在类似单元上应用的安装在电机末端的控制方式。其优点之一是：与同样等级的电机和驱动器独立设计的方式相比，它降低了50%的安装空间。IndraDrive Mi产品有4种型号可供选择，最大转矩从11到28 Nm (97到248 lb-in.)。其中2种型号的最大转速为3000 rpm，另外2种型号的最大转速为6000 rpm。IndraDrive MI产品的上市日期被定为2006年中。
www.boschrexroth-us.com
Bosch Rexroth公司
“直接驱动”伺服电机可简化安装
据报道Danaher Motion 公司的Kollmorgen Cartridge DDR (直接驱动旋转) 伺服电机包含了一种全新的DDR技术，这种技术结合了无机架直接驱动电机的性能优点和完整机架电机的安装便利性，并且其价格明显低于传统的DDR技术。该伺服电机已经通过了CE认证和UL认证，可在全球范围内应用。这种紧凑的DDR电机具有多种预先设计好的组件：工厂已校正好的集成高分辨率反馈设备（正弦编码器）以及“无轴承设计”，据说这种结构使其可以在30分钟内做到“即装即用”。筒状DDR电机也拥有先进的电磁设计，据供应商称：其转矩密度与类似尺寸的传统伺服电机相比提高了50%。
www.danahermotion.com
Danaher Motion/Kollmorgen公司
分块迭片结构使转矩提高40%
Parker公司的MaxPlusPlus (MPP)无刷旋转伺服电机针对当今的高性能伺服系统应用要求而设计。据报道与传统电机相比该产品的结构尺寸更小、转动惯量更低、功率则更大。MPP电机采用了分块迭片技术，与传统的风冷伺服电机相比，相同尺寸的MPP伺服电机可以多产生40%的转矩。“盘状”的定子提高了传热性能，具有更高的热效率，增加了转矩输出。通过采用高性能的钕铁硼磁体，获得了更高的加速性能。如果你选择了MPP电机，交货时间最短只需3天。
www.parkermotion.com
Parker Hannifin公司
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