為機器設(shè)計選擇伺服電機系統(tǒng)，首先要了解構(gòu)成伺服電機或伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組件。伺服系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，用于控制某些所需的運動，它們包括一個反饋裝置，可在電機和驅(qū)動器之間提供恒定信息，以精確控制被驅(qū)動機構(gòu)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩。
QXR高性能DDR電機伺服驅(qū)動器
? ? ? ?通常，伺服設(shè)計是高動態(tài)系統(tǒng)，涉及帶動負(fù)載快速的加速和減速。它們在四個象限中運行，這意味著它們可以控制轉(zhuǎn)矩和速度，無論是正還是負(fù)。
伺服驅(qū)動的選型需要一個系統(tǒng)性的解決方案。換言之，是一個需要考慮整體機械，電氣和編程參數(shù)的整體方法。該系統(tǒng)包括確定機械負(fù)載、運動曲線（包括定位要求），伺服電機特性，以及電機和其他組件所處環(huán)境；特別是當(dāng)電機以接近恒定的速度運行時，對成品、物料和/或加工過程自身所產(chǎn)生影響。
機械負(fù)載和運動曲線參數(shù)
讓我們從理解機械負(fù)載和運動要求的含義開始。基礎(chǔ)牛頓物理學(xué)斷言：力（或旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩）與質(zhì)量（旋轉(zhuǎn)慣性）乘以加速度成正比，無論加速度是正還是負(fù)。在運動設(shè)計的背景下，機器構(gòu)造具有其自身的質(zhì)量和所承載負(fù)載的質(zhì)量。
因此，確定機械部件很重要——特別是運動質(zhì)量和所需的運動曲線。將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的辦法千差萬別，并受精度、負(fù)載、運動動力學(xué)和環(huán)境等因素影響。
一旦了解了所使用的機制，理解運動動力學(xué)對確定最佳伺服電機解決方案來說非常重要。運動曲線不僅包括從一點到另外一點的運動，而且還包括在這一運動中可能運用的功能，比如與部件加工相關(guān)的推力。加速，勻速和減速，以及停留和暫停時間，都包括在系統(tǒng)的整體運動曲線中。分度移動可能是簡單的三角運動，可變梯形或1/3-1/3-1/3（與RMS轉(zhuǎn)矩相關(guān)的最高效運動）。
伺服系統(tǒng)選型和選擇工具
很多廠商提供選型和選擇工具，以幫助用戶根據(jù)應(yīng)用的運動要求構(gòu)建運動配置文件。大部分軟件工具，比如科爾摩根的Motioneering平臺提供多種運動描述方式，可以協(xié)助您計算加速度、運動時間、距離、速度和停留時間。圖1顯示了基本的1/3-1/3-1/3曲線，引入了50%的加加速度以平滑加速度。在本例中，我們選擇在1秒中移動8英寸，并使用50%的加加速度和2秒的停留時間。系統(tǒng)根據(jù)加速時間的1/3，勻速的1/3，以及減速度的1/3來計算運動。使用工具計算出的最大速度為720in/min。可以看到“S”曲線輪廓（基于50%的加速度）。此外，對于該運動，可以看到在運動橫向部分應(yīng)用了推力負(fù)載（紅線）——這種運動曲線可能是正在進(jìn)行加工。停留時間也可以看到為3秒。停留部分非常重要，因為所有與該曲線相關(guān)的參數(shù)將被用來計算RMS轉(zhuǎn)矩，它將是我們用來選擇正確電機的一個度量。除了運動曲線外，理解負(fù)載在分辨率、精度和重復(fù)性的實際定位要求也很重要。這將受到反饋裝置選擇和（更顯著地）以間隙和柔量形式的機械配件空動量的直接影響。
除非設(shè)計可以使用直驅(qū)動電機解決方案，否則它將包括某些類型的機械傳動。旋轉(zhuǎn)變線性的動力傳動（將旋轉(zhuǎn)電機輸出轉(zhuǎn)換成軸行程）可通過皮帶輪驅(qū)動，或基于螺桿的機構(gòu)完成，比如滾珠絲杠。旋轉(zhuǎn)傳動包括齒輪箱或皮帶驅(qū)動組件，以便使用各種尺寸的滑輪作為減速器。在某些應(yīng)用中，被移動的部件對總運動質(zhì)量具有顯著貢獻(xiàn)。一種特殊情況就是機器軸必須移動變化的質(zhì)量——比如在機器人系統(tǒng)的分配或加工過程中。其中總負(fù)載變化可能是調(diào)整伺服驅(qū)動的一個因素。
運動中的組件必須將其慣量求和并反射回電機軸，除慣量外，還必須考慮外力、摩擦和低效率問題。
伺服設(shè)計的環(huán)境考慮因素
這還沒有結(jié)束。在確定伺服設(shè)計時，只有某些可用的機構(gòu)才能經(jīng)濟(jì)高效地提供所需的運動、承載能力和精度。經(jīng)常被忽視的一個考慮就是伺服系統(tǒng)運行所在的環(huán)境。大多數(shù)伺服電機的額定工作溫度為40℃——這是一個非常溫暖的環(huán)境，但在許多工廠和工業(yè)環(huán)境中都是典型的。
驅(qū)動電子器件的耐熱性不是很高，并且由于它們的額定環(huán)境溫度也是40℃，因此管理它們運行處的環(huán)境溫度成為一個挑戰(zhàn)。通常，需要在控制柜內(nèi)采用強制冷卻方法，以保持適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件（溫度和濕度）。因此，必須考慮電機和驅(qū)動器所在的位置。當(dāng)然，可以將電機直接安裝或集成到設(shè)備上，以驅(qū)動承載負(fù)荷的機制。相比之下，集中式方案中的驅(qū)動器位于控制柜內(nèi)——它通常需要獲得冷卻。
制造商根據(jù)電機運行的環(huán)境條件來定義部分電機性能。如上所述，許多設(shè)計人員假定電機的額定環(huán)境溫度為40℃，但是偶爾提供的電機規(guī)格是25℃。因此，在審查規(guī)格時要注意了解所公布的額定參考值。如果機器運行的環(huán)境溫度超過額定環(huán)境溫度，電機將無法達(dá)到額定功率。
其他環(huán)境條件可能會影響到電機油漆和密封件以及其他機械子組件。灰塵，污垢，潮濕，噴霧沖洗，衛(wèi)生要求，爆炸性環(huán)境，真空環(huán)境以及輻射都需要特殊的伺服電機，具有針對當(dāng)前惡劣環(huán)境量身定制的物理特性。
選擇過程
在確定所需要的電機/驅(qū)動器系統(tǒng)構(gòu)成時，前期選型工作的很大一部分來自機械和環(huán)境。現(xiàn)在，當(dāng)用戶選擇最終產(chǎn)品時，必須考慮該系統(tǒng)所包含的其余系統(tǒng)組件。機械和環(huán)境將會繼續(xù)影響對于反饋元件、布線以及最終選擇的控制架構(gòu)。
反饋考慮和伺服電機特性
根據(jù)定義，伺服系統(tǒng)具有在運行過程中測量速度、位置和其他系統(tǒng)參數(shù)的反饋裝置。制造商可能只有有限的選擇，但是應(yīng)仔細(xì)考慮具體的應(yīng)用參數(shù)，包括沖擊負(fù)載和定位精度以及可重復(fù)性，這至關(guān)重要。旋轉(zhuǎn)變壓器往往在嚴(yán)苛環(huán)境下具有出色的性能，特別是對于較高的沖擊負(fù)荷。旋轉(zhuǎn)變壓器是旋轉(zhuǎn)的變壓器，包括定子和轉(zhuǎn)子部分圍繞內(nèi)核的纏繞線圈。相對于可能含有玻璃盤元件的編碼器，這種結(jié)構(gòu)允許以更高的溫度運行，并且對于高沖擊負(fù)載具有更高的耐受性。
正弦編碼器可以提供高分辨率，高達(dá)24位以及更高，以獲得最佳定位精度。一些混合編碼器可以通過更好的分辨能力來提供旋轉(zhuǎn)變壓器的穩(wěn)健性。這些智能編碼器基于具有電子元件的旋轉(zhuǎn)變壓器，可以解讀正弦和余弦信號，并將它們轉(zhuǎn)換成高分辨率的數(shù)字信號，該信號將被傳遞給伺服驅(qū)動器，以便用于速度和位置反饋。
目前，最新的編碼器提供各種通信協(xié)議（EnDAT，BiSS和DSL），并提供高分辨率和低噪聲能力，以幫助實現(xiàn)向伺服驅(qū)動器和控制器提供最佳反饋信號。
另外一個取決于應(yīng)用要求的反饋選擇就是需要絕對位置反饋還是增量反饋。在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，一旦使用單圈設(shè)備完成360度旋轉(zhuǎn)，就可以從0開始計數(shù)。而多圈絕對編碼器可以讓系統(tǒng)知道它的位置，不僅是電機在360度旋轉(zhuǎn)中的位置，而且知道在每個方向上它所完成的圈數(shù)。因此，它知道自己的精確位置。知道這一點和工具及其他軸的位置非常重要。另一方面，簡單的增量編碼器可以確定在一個單圈旋轉(zhuǎn)中的位置，但是只有在上電周期中找到零點之后。因此，用戶將不知道完成了多少個周期，甚至是在上電時在360度旋轉(zhuǎn)中的絕對位置。
除了伺服電機和伺服驅(qū)動器本身之外，實際上二者之間的接線也很重要。電纜柔韌性（通過其允許彎曲半徑加以定義）是一個主要考慮因素，特別是當(dāng)電纜與軸一起運動時。
電纜長度可能受所考慮編碼器類型的限制。阻抗，壓降等電纜參數(shù)，結(jié)合編碼器的信號強度是長度考慮方面的關(guān)鍵要素。市場上提供的一些較新的設(shè)備以非常高的傳輸速率向驅(qū)動器（比如DSL，EnDat和BiSS）傳輸串行信息，這些信息將會受到長度的影響，特別是阻抗和信噪比。甚至連接器也在“反饋”循環(huán)中起作用，因為連接器需要處理從這些設(shè)備生成的各種信號。與電機功率相關(guān)的另外一個電纜長度要素與當(dāng)今PWM驅(qū)動器中涉及的高開關(guān)頻率相關(guān)。電機電源線中存在噪聲，當(dāng)電纜變長并接近電纜上頻率波長的一半時，將會形成一個天線。天線會發(fā)送或接收信息（在這種情況下產(chǎn)生噪聲），這是不應(yīng)該出現(xiàn)在高性能系統(tǒng)中的。
最后一個參數(shù)：運動控制和網(wǎng)絡(luò)——集中式與分散式
最后一個考慮因素可能會造成整體設(shè)計過程重復(fù)（以及改變設(shè)計的其他指定組件）的一項考慮就是系統(tǒng)架構(gòu)。工程師必須要問：我應(yīng)當(dāng)專注于一種帶有驅(qū)動器、控制器和支持電子器件，并封裝在一個集中機柜內(nèi)的集中控制系統(tǒng)，還是將驅(qū)動器在機器上加以分散（一種分布式系統(tǒng)方法）才更加有利，性價比更高？具有多個軸（這些軸可能分散在機器各個位置）的機器，將是分布式解決方案的理想候選者。這種方法可以大幅減少電纜需求，節(jié)省長電纜的布線以及與這些電纜配套的電纜槽和支架相關(guān)的成本。此外，將驅(qū)動器移出機器可以減小容納控制和支持電子組件所需機柜的尺寸，從而再次降低成本，并降低機柜內(nèi)的冷卻要求。另一方面，緊湊型并具有較少軸數(shù)的機器將不會受益于傳統(tǒng)集中式方法。
結(jié)論
在針對應(yīng)用選型伺服系統(tǒng)時必須考慮許多事情，在本文中已經(jīng)介紹了其中的許多要素。影響組件選擇的另一個選擇就控制系統(tǒng)。控制類型通常在機器設(shè)計討論的早期階段就已經(jīng)指定，并取決于多種因素，同時控制選擇通常鎖定現(xiàn)場總線通信標(biāo)準(zhǔn)的選擇。