以交流伺服為例探討伺服傳動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)

伺服其實(shí)是一種用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)，同時(shí)提到了其可能會(huì)涉及到的一些產(chǎn)品。然而，產(chǎn)線設(shè)備上的高性能運(yùn)動(dòng)控制功能，光靠這些傳動(dòng)產(chǎn)品顯然是無法完成和實(shí)現(xiàn)的，必須將它們整合在一起，并有機(jī)的融入到設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)中去，才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

■考慮到交流變頻伺服已經(jīng)在目前的工業(yè)應(yīng)用中成為了運(yùn)控領(lǐng)域的絕對(duì)主力，接下來關(guān)于伺服技術(shù)的討論中，將主要以交流伺服作為重點(diǎn)。

PicSource：YASKAWA | ∑ - 7

交流變頻伺服，是一種以交流變頻作為動(dòng)力傳動(dòng)方式的伺服技術(shù)，其核心自然就是伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)了。伺服驅(qū)動(dòng)器基于控制端指令，將電源側(cè)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力輸入轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)所需的可調(diào)節(jié)交流動(dòng)力電源；伺服電機(jī)，則會(huì)將這個(gè)動(dòng)力電源再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)力輸出，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載完成特定的運(yùn)動(dòng)控制功能。

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這樣看來，要在設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)中引入交流伺服技術(shù)，至少得在三個(gè)方面與其進(jìn)行對(duì)接與融合：

■控制平臺(tái)

■電力驅(qū)動(dòng)

■機(jī)械傳動(dòng)

我們先來聊聊伺服系統(tǒng)的控制平臺(tái)。

PicSource：SIMATIC

在談到伺服與變頻的區(qū)別時(shí)，我們?cè)?jīng)說過，為了能夠達(dá)到較高的應(yīng)用控制精度，伺服驅(qū)動(dòng)與控制平臺(tái)之間指令更新的時(shí)間刻度必須要精確到微妙級(jí)，它們須以極為確定的時(shí)間周期進(jìn)行運(yùn)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。因此，長期以來，設(shè)備運(yùn)控平臺(tái)在接入伺服產(chǎn)品時(shí)，都需要使用專屬的運(yùn)控?cái)?shù)據(jù)端口，例如：高頻脈沖串端口或?qū)Ｓ眠\(yùn)控總線端口。

PicSource：Pananonic | FP X

一般來說，使用脈沖串方式控制伺服，其硬件成本是相對(duì)較低的，大部分用戶并不會(huì)太在意它對(duì)伺服的控制其實(shí)是開環(huán)的。然而與此同時(shí)，其短板也是很明顯的。一方面，運(yùn)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較單一，不夠靈活，只能是星型布局；另一方面，由于單個(gè)脈沖模塊能夠同時(shí)接入的伺服軸數(shù)十分有限，系統(tǒng)的空間占用和接線數(shù)量都會(huì)隨著其軸數(shù)的增加而變得異常龐大，這對(duì)于那些大型的伺服運(yùn)控設(shè)備來說，會(huì)嚴(yán)重影響其應(yīng)用和集成的綜合體驗(yàn)。

PicSource：Rockwell Automation

專用運(yùn)控總線采用數(shù)字串行通訊的方式來完成控制器與伺服驅(qū)動(dòng)之間的數(shù)據(jù)交互，單一端口能夠接入很多伺服軸，加之在連接方式上，它們大部分都支持多組件的跨接串聯(lián)，能夠以鏈?zhǔn)讲季謽?gòu)建網(wǎng)絡(luò)，這讓系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得十分靈活，有助于為用戶節(jié)省大量的設(shè)備空間占用、減少線束連接，并簡化運(yùn)控系統(tǒng)的應(yīng)用和集成工作。然而，彼時(shí)專屬總線運(yùn)控產(chǎn)品高昂的采購成本，卻總是讓不少用戶望而卻步。以至于，一直以來，它們都被大家認(rèn)為是“高端”的伺服運(yùn)控產(chǎn)品。

PicSource：differencebtw

另外，由于伺服應(yīng)用在控制策略上更側(cè)重在空間和力學(xué)方面的數(shù)據(jù)計(jì)算，需要處理大量的運(yùn)動(dòng)學(xué)任務(wù)，如：空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與追蹤、加減速度與力矩的運(yùn)算...等等，這與一般的離散、邏輯、批次、過程...等控制方式有著極大的差別。

PicSource：Bosch Rexroth

加上前面所說的運(yùn)控?cái)?shù)據(jù)接口的特殊性，早些年的自動(dòng)化運(yùn)控設(shè)備往往都需要同時(shí)配備邏輯控制器 PLC 和專用的運(yùn)動(dòng)控制器 MC，去分別處理邏輯控制任務(wù)和運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。這樣的設(shè)備控制系統(tǒng)，其復(fù)雜性是顯而易見的，用戶不僅要同時(shí)配置和操作兩套控制系統(tǒng)，還不得不考慮二者之間大量的數(shù)據(jù)交互和運(yùn)算邏輯，這讓機(jī)器的應(yīng)用成本在設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)、甚至學(xué)習(xí)和培訓(xùn)...等各個(gè)方面都顯得非常之高。

PicSource：OMRON FA | NX1

近幾年，隨著電子半導(dǎo)體和信息通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)備控制器與現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的發(fā)展也開始進(jìn)入到一個(gè)全新的時(shí)代。

一方面，集成運(yùn)動(dòng)和離散、邏輯...等控制方式的高性能多策略控制器，已經(jīng)基本成了自動(dòng)化控制產(chǎn)品的主流，用戶只需要使用一種（自動(dòng)化）控制器，就能夠在其設(shè)備中實(shí)現(xiàn)多種策略類型的功能任務(wù)。

PicSource：Bosch Rexroth | SERCOS for IndraDrive C

另一方面，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)基本上解決了網(wǎng)絡(luò)通訊的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和時(shí)間確定性的問題（盡管各家采用的方法有所不同），完全可以替代甚至超越上一代運(yùn)控總線的應(yīng)用性能，借助這種技術(shù)，用戶在其設(shè)備中只需要使用一種協(xié)議的實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，如： EtherCAT、PowerLink、ProfiNet IRT、SERCOS III.. 等，就可以將伺服傳動(dòng)與通用的自動(dòng)化控制集成在同一個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中。

PicSource：Rockwell Automation

這樣一來，伺服運(yùn)控設(shè)備的自動(dòng)化架構(gòu)就變得十分簡單了，每個(gè)運(yùn)控設(shè)備單元只需使用一臺(tái)自動(dòng)化控制器，通過一種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)便能夠與其中各個(gè)伺服軸、變頻器、I/O ... 等底層自動(dòng)化組件實(shí)現(xiàn)通訊連接，并完成設(shè)備的各項(xiàng)功能；同時(shí)，產(chǎn)線上的多個(gè)設(shè)備單元，也完全可以通過僅使用一種實(shí)時(shí)通訊協(xié)議連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，來實(shí)現(xiàn)它們之間的各種協(xié)同互操作，進(jìn)而再共同接入到產(chǎn)線乃至整個(gè)工廠的運(yùn)營管理平臺(tái)上去。

PicSource：Schneider Electric

目前，大部分自動(dòng)化廠商都已經(jīng)基于自身的產(chǎn)品體系推出了其所謂的“全集成”自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)。盡管名稱各異，各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)細(xì)節(jié)也多有不同，但縱觀其系統(tǒng)架構(gòu)，卻是殊途同歸，基本上都屬于我們上面所說的這種拓?fù)錁邮健?/p>

而設(shè)備用戶能夠接受這種曾經(jīng)“高大上”的運(yùn)控解決方案，很大程度上是由于新的控制器和以太網(wǎng)技術(shù)為產(chǎn)線設(shè)備所帶來的總體成本和效益的優(yōu)化。這種優(yōu)化并不僅僅是硬件成本的降低（事實(shí)上很多硬件產(chǎn)品的成本是增加的），而更多的是體現(xiàn)在因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化、功能的整合、性能的提升、操作的易用性...而給企業(yè)創(chuàng)造出來的附加價(jià)值與綜合收益。

PicSource：B&R Automation

不過，考慮到當(dāng)下工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議各大品牌/陣營割據(jù)圈地的現(xiàn)狀，設(shè)備用戶在選擇其伺服運(yùn)控系統(tǒng)時(shí)或許并沒有那么自由。盡管各家都宣稱自己的系統(tǒng)與所采用的技術(shù)是開放的，但實(shí)際上，在控制平臺(tái)的搭建上，其品牌/陣營的排他性現(xiàn)象還是明顯存在的。除了采用 EtherCAT 這種目前比較普及的通訊協(xié)議的運(yùn)控/自動(dòng)化產(chǎn)品以外，大部分品牌的設(shè)備控制器基本只能兼容自家（或合作體系內(nèi)）的伺服產(chǎn)品。用戶很多時(shí)候，不得不因此為了某一個(gè)功能而被整個(gè)品牌的全系列產(chǎn)品所綁架。而這種局面，目測(cè)至少要等到下一代工業(yè)通訊技術(shù)出現(xiàn)時(shí)才可能有所改觀。

PicSource：mcrazy | FANUC Robot Controller

另外，需要指出的是，上面所說的這種集成運(yùn)控系統(tǒng)，應(yīng)該更加適合那些通用的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備，比如：包裝機(jī)、輪胎成型機(jī)...等，而對(duì)于像數(shù)控加工、工業(yè)機(jī)器人...等類型的專機(jī)設(shè)備，貌似并不太適用，至少目前是這樣的。例如：機(jī)床設(shè)備所使用的 CNC 數(shù)控系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人所使用的集成伺服驅(qū)動(dòng)單元的專用控制器...等等。道理其實(shí)也并不復(fù)雜，單機(jī)應(yīng)用、功能標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)成熟、產(chǎn)量巨大...等多方面因素，足夠支撐這些專機(jī)應(yīng)用去開發(fā)和使用專用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

PicSource：SINUMERIK

盡管從技術(shù)角度看，通用控制器應(yīng)該已經(jīng)完全具備了處理專機(jī)任務(wù)的能力，但要知道，這些經(jīng)過多年積累、極為成熟，且早已經(jīng)被市場(chǎng)驗(yàn)證與認(rèn)可的專機(jī)應(yīng)用，其軟件代碼移植、集成和測(cè)試的工作量是巨大的，尤其是那些高難度的復(fù)雜應(yīng)用，如：某些特殊的 G-Code、多自由度機(jī)器人的空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換...等。

PicSource：Bosch Rexroth

Motion Logic Control for Robots

短期內(nèi)，專機(jī)設(shè)備用戶或許更傾向于借助通用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將整機(jī)在數(shù)據(jù)通訊和信息交互層面與產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行集成與融合（如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人與通用自動(dòng)化設(shè)備的集成），而并沒有足夠的動(dòng)力去對(duì)底層控制架構(gòu)進(jìn)行太大的調(diào)整。但從長遠(yuǎn)看，將機(jī)器人和數(shù)控...等專機(jī)應(yīng)用整合到通用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)之中，則必定是行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。

實(shí)際上，這件事已經(jīng)在某些領(lǐng)域悄然開始了......
編輯：hfy