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聚焦发展中的伺服技术

2006年04月30日 16:22:00 中国传动网

孟强 欧姆龙(中国)有限公司市场统括部驱动产品科经理 白金田 富士电机(上海)有限公司技术部 曹海笑 伦茨(上海)机电传动有限公司电子产品经理 邢峰 丹纳赫传动公司销售经理 王刚 苏州钧信自动控制有限公司伺服系统产品经理 赵金彪 广州数控设备有限公司系统销售部业务经理 驱动电机 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分,主要有两大类:永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。哪种产品更具有市场优势? 欧姆龙:就目前的市场状况,感应式异步电机还是具有优势的。本身伺服电机的造价就偏高,而永磁同步电机的造价相对于感应式异步电机又有所提升;就控制要求而言,异步电机基本能够满足准确、快速、可靠的控制要求,而可能存在的“自转”现象也是可以通过调整参数来进行调整。所以对于控制要求不是特别高的系统,感应式异步电机完全能够胜任,无需使用造价昂贵的永磁同步电机。 富士电机:现将永磁同步电动机和感应式异步电动机各自所具有的特点列表如下: 说明: ①控制方式:由于永磁同步电动机的直轴磁动势由永磁体产生,而异步电动机是由定子励磁产生,所以控制电机旋转时永磁同步电机比较容易控制,特别是在低速旋转时,感应异步电动机会因为转差率的增大,发热量也相应增大。 ②体积:由于不需要风扇等部件,所以永磁同步电机的结构更加紧凑,体积相对异步电机要小很多。 ③散热:只有电机的线圈才产生热量,永磁电机的转子不产生热量,所以永磁电机不需要风扇就可以很好的散热,而异步电机产生的热量较大,需要风扇散热。 ④价格:因为有永磁材料的存在,永磁同步电机的价格相应稍贵一些。 ⑤最高速度:永磁同步电机在转子芯上粘结永磁材料制造而成,所以在速度很高的条件下,例如在10000r/min的转速下,由于离心力的作用,永磁体有可能脱离转子芯飞出。感应式异步电动机的转子是鼠笼式的,不会产生此现象。 ⑥最大转矩约束:当转矩达到一定限度时,会使永磁电机的永磁体退磁,而异步电机不存在这种现象。 ⑦大容量化:也是由于永磁材料的原因,永磁同步电机容量只能限制在5.5Kw以下,容量再增加就有困难,异步电机没有这方面的限制。 综上所述:永磁电机和异步电机各有各自的优势,在容量比较小的场合,永磁电机具有它的优势,而在容量比较大或转速比较高的特殊场合,异步电机有它的优势。在普通的FA中,永磁电机基本上都能满足要求。 伦茨:Lenze公司同时提供SM电机和IM电机,这两种产品有着各自不同的市场定位,因此不能孤立的说那种电机更有市场优势。同步伺服电机由于其能量密度高,相应性好,更适合高动态响应的场合。异步伺服电机,由于其成本低,结构设计成熟,更适合长期稳速运行以及性价比要求较高的场合。比如我们在包装机械的各种联动轴上使用同步伺服,而在其收放卷轴上使用异步伺服,所以没有最好的伺服电机,只有最合适的伺服电机。 丹纳赫:SM伺服以优异的性能占据传统的高端运动控制市场,IM伺服用于替代传统变频器应用时则会体现性价比的优势。 苏州钧信:交流电机主要分为永磁同步和感应式异步电机两大类。感应式异步电机就是我们常说的鼠笼电机。由于交流电机转矩和电流不成线性比,所以交流电机要当伺服电机使用时,控制问题非常的关键。现在交流电机的控制方式主要是调压、变频、变极等几种。 现在市场中盛行的交流伺服电机其实从设计理念上说,就是直流无刷电机。驱动部分虽然是交流供电,但交流电进入驱动后就直接整流成直流电。交流电机相对于直流电机来说具有结构简单、无换相火化、价格低和可靠性强的特点。 但就伺服运用来看,直流电机由于其扭矩和电流成线性比,转矩惯量大,可执行频繁变化的位置和速度控制命令等特点,直流伺服电机一直占着伺服市场的主导地位。 广州数控:永磁同步电动机的永磁材料性能不断提高,而价格又不断下降,同时,控制起来又比异步电机简单,技术上已趋于完全成熟,永磁伺服系统的调速范围宽,适应市场对高性能伺服驱动的要求, 在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛,目前已成为交流伺服系统的主流. 感应式异步电动机交流伺服系统中的感应式异步电动机结构坚固,制造容易,价格低廉。但由于该系统采用矢量变换控制,相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂,而且电机低速运行时还存在着效率低,发热严重等有待克服的技术问题,目前并未得到普遍应用。但技术一旦成熟,则具有更好的发展前景,代表了将来伺服技术的方向。 直流伺服 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响,其发展受到了限制,由于直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,在运行过程中转子容易发热。那么直流伺服还具有怎样的生命力? 欧姆龙:直流伺服电机的转矩特性较交流伺服电机的硬,这种特性比较适用于功率较大的系统,比如随动系统中的位置控制。 富士电机:直流电机和交流电机各自所具有的特点列表如下: 说明: ① 价格:交流伺服电机的控制电路比直流伺服电机复杂,所以价格稍贵一些。 ② 控制方式:交流伺服电机是交-直-交的电流变换过程,而直流伺服电机是交-直转换,所以控制方式上有很大的区别,交流伺服电机比较复杂。 ③ 维护:交流伺服电机没有电刷不需要维护,而直流伺服电机的电刷使用一段时间后需要更换,更换还必须有专业人员来进行,所以维护比较麻烦。 ④ 散热:永磁交流伺服电机只有定子发热,所以散热比较有利,直流电机的转子和定子都要发热,需要风扇散热。 ⑤ 直流电机因为有电刷的存在,所以结构比较复杂。交流电机没有电刷。 ⑥ 应用场所:直流电机的电刷在运行过程中会产生火花,所以对环境的要求比较高,不能应用在易燃、易化爆的环境中。交流电机不产生火花。 ⑦ 小容量化:直流伺服电机在30W、10W甚至更小容量中制造比较容易,成本相对较低。 综上所述:在一般的机械工业自动化都会采用交流伺服电机,但直流电机在小容量领域内,会一直应用下去。 伦茨:在张力控制时,直流电机更简单。在微电机控制时,直流控制更紧凑。 丹纳赫:目前直流伺服的价值在于特定环境应用,如低电压使用场合/对速度平稳性要求较高的测速机应用场合等。 苏州钧信:我刚才说过,由于直流伺服由于其扭矩和电流成线性比,转矩惯量大,可执行频繁变化的位置和速度控制命令等特点,他还会在市场中占据主要位置。而且随着技术的发展,刷体材料的改善和换相水平的提高,直流伺服的生命力还是很强的。 广州数控:直流伺服电机本身存在着机械结构复杂、维护工作量大等缺点,同时,运行过程中,转子容易发热,直接影响与其连接的其他机械设备的精度,因此,难以应用到高速及大容量的场合,电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点则成为了直流伺服技术发展的瓶颈。在未来的工业发展中,直流伺服产品正逐渐减少,交流伺服产品则日渐增加,业界人员只能通过材料和工艺的改进来提高直流伺服的生命力,它仍将在相当长的时间内得到应用,但市场份额会持续下降。 运动控制器 通用机械中使用的运动控制器包括单轴控制器、双轴控制器、运动控制器和多轴高性能运动控制器等。他们各有什么应用场合?不同的公司需要用什么相应的产品来适应这种场合? 欧姆龙:1)单轴控制器因为不存在插补等复杂操作,所以一般用于简单定位的系统,本公司的带有脉冲输出功能的PLC(CPM1A/2A/2C、CJ1M-CUP21/22/23、CP1H)和单轴的控制器(CJ1W-NC113/133、CS1W-NC113/133)都能够对应这种应用,脉冲输出的频率各有不同,其中CP1H-Y最高可达1MHz,同时CP1H无需配置任何定位模块即可达到最多可以分别控制4轴的要求。 2)双轴控制器主要有CJ1W-NC213/233,CS1W-NC213/233,CS1W-MC221,在以上几种产品中,NC模块可以实现两轴直线插补,MC模块可以实现两轴直线插补和两轴圆弧插补; 3)多轴控制器主要有CJ1W-NC413/433,CS1W-NC413/NC433,CS1W-MC421等,最多可以实现4个自由度的插补,NC为直线插补,MC为直线插补和圆弧插补; 4)欧姆龙最新推出的高功能位置控制单元CJ1W-NCF71,CS1W-NCF71,CS1W-MCH71,FQM1。其中NCF和MCH模块都是通过Mechatrolink总线(10MBps)以通讯的方式来实现控制,NCF最多可以控制16个轴,可以实现直线插补;MCH最多可以控制30个物理轴,2个虚轴,可以实现直线插补,圆弧插补,电子凸轮功能等;FQM1通过内部总线(同步刷新时间2ms)的方式进行控制,可以实现高性能的同步控制。 综合以上的内容,欧姆龙的伺服产品可以轻松实现包装、精确的电子组装、纺织、木材剖面加工、模具注塑等较高要求的行业应用。    富士电机:1、单轴:富士电机伺服放大器内置定位控制功能,简易机械中被广泛使用。 2、双轴:富士电机的PLC中,有SPH系列产品可以进行两轴或多轴的插补控制。主要应用在雕刻机械、机床等需要两轴插补或多轴插补的机械中。 3、多轴:在多轴的插补控制的机械中,富士电机的SPH系列PLC能够胜任。主要应用行业有机械手、包装机械、印刷机械等。 伦茨:Lenze的9300系列伺服控制器是伺服驱动器和单轴控制器的完美结合,能在不依赖上位命令的前提下,独立完成驱动任务。 Lenze新推出的ECS伺服系统是高性能的多轴驱动系统,能在Lenze ETC多轴控制器的配合下,完成诸如机器人控制等高动态性能的控制。 丹纳赫:单轴控制器如DHR Motion的SC系列,应用在有特定的固定循环运动控制场合。多轴控制器如DHR Motion使用SERCOS总线的MS系列、使用Synqnet总线的MEI控制器则适合应用于高速/高精度的多轴运动控制场合。 苏州钧信:对于驱动器来说,轴数的选择主要取决于应用。绝大部分的应用主要为单轴驱动。多轴驱动对设计来说还是有一定的要求的,而且轴与轴之间存在相互干扰的情况。所以我们一般不推荐使用多轴驱动器。但对于一些特殊的应用,例如对结构尺寸要求严格,接线要求简单的应用情况,多轴驱动器还是非常有市场的。 除了单、双轴驱动器,苏州钧信在多轴驱动方面也有相关产品。例如Baldor,Copley,Elau等产品都有多轴驱动器。而且Copley还有一系列PCB接口的驱动器,用户可按照自己的应用设计母板,将多轴驱动器安装在同一个母板上,大大缩减了系统安装尺寸,为客户节省了空间。 广州数控:单轴控制器,就是只能对单方向的运动进行控制,适用于各种定位控制场合,其具体适应面要看控制器所针对运用场合开发的特定功能而定。我公司在这一方面主要有991位置控制器,适用于距离定位控制场合,通过编程可完成一轴位置控制及多路开关量的输入/输出控制。双轴控制器,可以实现平面内任意曲线的运动控制及定位,常见运用场合为车床,冲床平面加工控制等。这一方面,公司产品主要分为928系列,980系列车床控制系统,可实现X、Z二轴直线、圆弧、二次曲线插补,进行各种复杂表面加工,现已广泛应用于国内众多机床厂家,得到广大客户的一致好评。运动控制器有基于PC的运动控制卡,也有带运动控制功能的PLC,还有专业的运动控制器,这类控制器主要作为各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求; 同时,由于PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡的产生以充分发挥PC机的强大功能。我公司暂时在这一领域还未涉足,相信随着工业需求的发展,也会开发相应产品已适应市场需求。多轴高性能运动控制器,主要用于高性能复杂加工运用场合,最常见的为铣床系统,加工中心,及多轴联动控制系统。我公司现已开发出983系统及21M系统,并已投入试生产,随着技术的不断成熟与改进,国内的中档多轴高性能运动控制系统也将慢慢打破进口系统长期的垄断,并在市场份额上占有一席之地。 接口 最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口(如RS-232C或RS-422接口等)和专用的局域网接口。这些接口都有什么好处?每一个公司的产品在通讯能力方面各有什么特点? 欧姆龙:由于伺服驱动器的通讯协议是公开的,所以提供了串行通信接口后客户可以通讯的方式对伺服驱动器的内部参数进行读写,也可以通过简易的命令控制电机的起停、转速、转向等,可以不通过专门的控制模块就实现对伺服的简易控制; 本公司的伺服系列产品中,Smartstep A 和W系列都提供了232/485的接口,另外W系列可以配置Devicenet和Profibus的适配卡,这样,伺服就可以作为以上网络中的一个节点,直接通过控制器往节点中写命令和数据即可进行远程控制,W系列还提供专门的运动控制卡R88A-MCW151-E,通过类似VB的高级语言进行编程即可满足高性能的控制要求; 针对专门的控制器NCF和MCH的Mechatrolink网络,W系列伺服可以配置FNY-NS115的适配器实现,当然我们最新推出了内置Mechatrolink接口的WN系列伺服,该系列无需配置适配器即可直接进行Mechatrolink通讯。 富士电机:1、RS-232C/RS-442通信特点:①与电脑可以通信。②速度较慢,双方向通信无法实现。 应用:在伺服和电脑通信的时应用,读写伺服内部的参数。富士伺服电机调试的通信方式是RS-485转RS-232通信。这种通信方式不能应用在控制伺服运行上。 2、现场总线控制:为双向通信,响应速度比较快。能够进行伺服的运动控制。 富士电机采用SX总线控制,性能特点为:①传输速度25Mbps;②通信距离25.6公里;③可直接控制伺服电机、变频器、触摸屏。 伦茨:Lenze的系统总线是CAN总线系统,能完成多达63台设备之间的多主网络通信,比RS232和RS422等总线系统有更高的通信速率,比专用的设备接口有更好的兼容性,而且随着国内CAN设备的进一步普及,我们相信CAN网络的优势将进一步体现。Lenze非常重视现场总线技术,目前Lenze设备可以使用CAN, DeviceNet, Profibus, Interbus, RS232/485, ASI, Lonwork等多种现场总线。 丹纳赫:有标准通讯口的伺服系统一般都有开放的,丰富的基本内部指令和功能,可方便可户最大限度地发掘伺服放大器的特性,方便地通过普通PC进行调试和监控。DHR Motion的全部伺服产品都具有标准通讯接口。 苏州钧信:伺服系统主要配置串口通讯,串口主要用来调节驱动参数。由于驱动器功能日益强大,很多功能都需要利用计算机通过串口加以实现,而且还可以实现控制功能。除串口通讯外,现在还有CAN,Profibus,局域网、广域网等通讯方式。串口通讯方式传输速率较慢,CAN,局域网是现在比较主流的总线控制方式。广域网还可以实现远端控制,例如在北京的客户可以通过广域网通讯功能对深圳的伺服系统实现远端控制。 我司除所有伺服系统都具备串口通讯功能外,还拥有一些高端产品,例如:Copley,Baldor驱动器具备CAN功能;Elau具备局域网功能;Smartmotor具有广域网功能。 广州数控:这些接口的设置,显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力,从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单,只需要一根电缆或光缆,就可以将数台,甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口,与可编程控制器(PLC)的数控模块相连,进行数据传输和信号控制。目前我公司主要针对CAN总线接口进行了研究设计,CAN总线协议是开放的,成本低,并且已经在很多领域得到了广泛的应用,并且具有传输速率快,距离长的优点。基于CAN总线的伺服系统已经配套我公司数控系统进行了实验应用。 伺服技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分,在数控系统中都推出了各有特色的伺服系统。 欧姆龙:CNC系统一般提供的都是Total Solution,伺服系统只是其中的执行机构,本公司目前为止还没有这方面的案例,但是我们的伺服产品作为执行机构是完全能够提供良好的动态性能的,其紧凑的尺寸也具有相当的吸引力和竞争力。 富士电机:目前富士电机有三大系列伺服产品。包括FALDIC-α系列、FALDIC-β系列、FALDIC-W系列产品。 三大系列产品共同的特点: ①频率响应600Hz、标准配备高分辨率串行编码器(16位 or 17位); ②完全符合CE标志、UL/cUL规格的全球性伺服电机 分别介绍三大系列产品各自的特点: 1、FALDIC-α:应用领域广泛的高性能伺服电机。 ①内置定位功能(L型、R型); ②对应SX总线; ③对应ABS编码器; ④输入脉冲序列「位置控制」、模拟量输入「速度控制」「转矩控制」。 2、FALDIC-β:最适合于高节拍运行的超小型、小容量、高性能伺服电机。 ① 输入脉冲序列实现定位控制;②减振控制、陷波滤波器、命令跟踪控制。 3、FALDIC-W:此款伺服在继承FALDIC-α系列、FALDIC-β系列优点的同时,专门针对中国市场开发的新型产品。 ①输入脉冲序列「定位控制」、模拟量输入「速度控制」「转矩控制」; ②标准配备简易调试、试运行功能(新开发); ③ 伺服电机的保护等级为IP67。 伦茨:Lenze的ETC多轴控制系统和ECS伺服驱动系统配合,能完成非常丰富的多轴数控功能。 苏州钧信:我司产品系列比较齐全,说到特色,其实每个产品都有特色。下面我介绍几个伺服产品给大家。 美国的Copley驱动器功能齐全,使用非常简单,其主流的数字驱动器采用DSP技术,能驱动所有的直流电机,用户只需要在软件中进行简单的设置。而且驱动器还具有Index功能,能进行编程并脱机使用,也可以利用CANopen对多轴驱动实现分布式控制。Copley的直线电机采用最新的设计理念,为用户提供一种最佳的直线传动解决方案。 美国Baldor公司生产的驱动器型号齐全,性能卓越。Baldor生产自己的多轴控制卡,有自己的编程语言,编程非常简单。Baldor将控制卡和伺服驱动整合在一起,为用户提供了一种简洁的、经济的系统控制方案。Baldor编程语言支持嵌入式编程,用户可通过VC,VB等高级编程语言开发用户界面。 德国Elau采用最新SERCOS光纤通讯方式,可实现最多高达200根轴的多轴系统控制。其电机通过了欧洲食品行业应用标准。电机具备SERCOS绝对编码反馈。 美国Smartmotor是一款特殊的伺服控制系统。他将控制卡、驱动器和直流电机整合在一起,而体积与标准直流电机相差无几。用户只需要通过串口进行编程、并下载到电机中,便可实现脱机运行。而且系统供电24或48V直流,可用电池进行供电。 广州数控:现有产品伺服系统包括通用型伺服系统和增强型伺服系统,我公司已生产的A系列通用伺服具备标准位置控制方式,采用了先进数字信号处理器,使用智能化功率模块(IPM),集成度高、体积小、保护完善、可靠性好。采用最优PID算法完成PWM控制,性能已达到国外同类产品的水平。增强型B,C系列,具备三种控制接入模式,具备模拟控制功能,可与系统构成全闭环控制系统,自带PLC功能,实现上位控制与伺服一体设计,为客户节约控制成本。调速比达到1:5000,从低速到高速都具有稳定的转矩特性,高速度、高精度,回转定位精度为1/10000r。全数字式控制,用户可对多组控制参数进行设置,增加多种现场实用功能,进一步加强驱动器自身功能完整性,减弱对控制器的依赖,以适用不同的应用需求。

来源:kzcd

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