為機器設計選擇伺服電機系統，首先要了解構成伺服電機或伺服驅動系統的組件。伺服系統是閉環系統，用于控制某些所需的運動，它們包括一個反饋裝置，可在電機和驅動器之間提供恒定信息，以精確控制被驅動機構的位置、速度和轉矩。

QXR高性能DDR電機伺服驅動器

? ? ? ?通常，伺服設計是高動態系統，涉及帶動負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矩和速度，無論是正還是負。

　　伺服驅動的選型需要一個系統性的解決方案。換言之，是一個需要考慮整體機械，電氣和編程參數的整體方法。該系統包括確定機械負載、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境；特別是當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生影響。

　　機械負載和運動曲線參數

　　讓我們從理解機械負載和運動要求的含義開始。基礎牛頓物理學斷言：力（或旋轉方向的轉矩）與質量（旋轉慣性）乘以加速度成正比，無論加速度是正還是負。在運動設計的背景下，機器構造具有其自身的質量和所承載負載的質量。

　　因此，確定機械部件很重要——特別是運動質量和所需的運動曲線。將旋轉運動轉化為直線運動的辦法千差萬別，并受精度、負載、運動動力學和環境等因素影響。

　　一旦了解了所使用的機制，理解運動動力學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轉矩相關的最高效運動）。

　　伺服系統選型和選擇工具

　　很多廠商提供選型和選擇工具，以幫助用戶根據應用的運動要求構建運動配置文件。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。系統根據加速時間的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用了推力負載（紅線）——這種運動曲線可能是正在進行加工。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的參數將被用來計算RMS轉矩，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，理解負載在分辨率、精度和重復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。

　　除非設計可以使用直驅動電機解決方案，否則它將包括某些類型的機械傳動。旋轉變線性的動力傳動（將旋轉電機輸出轉換成軸行程）可通過皮帶輪驅動，或基于螺桿的機構完成，比如滾珠絲杠。旋轉傳動包括齒輪箱或皮帶驅動組件，以便使用各種尺寸的滑輪作為減速器。在某些應用中，被移動的部件對總運動質量具有顯著貢獻。一種特殊情況就是機器軸必須移動變化的質量——比如在機器人系統的分配或加工過程中。其中總負載變化可能是調整伺服驅動的一個因素。

　　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。

　　伺服設計的環境考慮因素

　　這還沒有結束。在確定伺服設計時，只有某些可用的機構才能經濟高效地提供所需的運動、承載能力和精度。經常被忽視的一個考慮就是伺服系統運行所在的環境。大多數伺服電機的額定工作溫度為40℃——這是一個非常溫暖的環境，但在許多工廠和工業環境中都是典型的。

　　驅動電子器件的耐熱性不是很高，并且由于它們的額定環境溫度也是40℃，因此管理它們運行處的環境溫度成為一個挑戰。通常，需要在控制柜內采用強制冷卻方法，以保持適當的環境條件（溫度和濕度）。因此，必須考慮電機和驅動器所在的位置。當然，可以將電機直接安裝或集成到設備上，以驅動承載負荷的機制。相比之下，集中式方案中的驅動器位于控制柜內——它通常需要獲得冷卻。

　　制造商根據電機運行的環境條件來定義部分電機性能。如上所述，許多設計人員假定電機的額定環境溫度為40℃，但是偶爾提供的電機規格是25℃。因此，在審查規格時要注意了解所公布的額定參考值。如果機器運行的環境溫度超過額定環境溫度，電機將無法達到額定功率。

　　其他環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，衛生要求，爆炸性環境，真空環境以及輻射都需要特殊的伺服電機，具有針對當前惡劣環境量身定制的物理特性。

　　選擇過程

　　在確定所需要的電機/驅動器系統構成時，前期選型工作的很大一部分來自機械和環境。現在，當用戶選擇最終產品時，必須考慮該系統所包含的其余系統組件。機械和環境將會繼續影響對于反饋元件、布線以及最終選擇的控制架構。

　　反饋考慮和伺服電機特性

　　根據定義，伺服系統具有在運行過程中測量速度、位置和其他系統參數的反饋裝置。制造商可能只有有限的選擇，但是應仔細考慮具體的應用參數，包括沖擊負載和定位精度以及可重復性，這至關重要。旋轉變壓器往往在嚴苛環境下具有出色的性能，特別是對于較高的沖擊負荷。旋轉變壓器是旋轉的變壓器，包括定子和轉子部分圍繞內核的纏繞線圈。相對于可能含有玻璃盤元件的編碼器，這種結構允許以更高的溫度運行，并且對于高沖擊負載具有更高的耐受性。

　　正弦編碼器可以提供高分辨率，高達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變壓器的穩健性。這些智能編碼器基于具有電子元件的旋轉變壓器，可以解讀正弦和余弦信號，并將它們轉換成高分辨率的數字信號，該信號將被傳遞給伺服驅動器，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議（EnDAT，BiSS和DSL），并提供高分辨率和低噪聲能力，以幫助實現向伺服驅動器和控制器提供最佳反饋信號。

　　另外一個取決于應用要求的反饋選擇就是需要絕對位置反饋還是增量反饋。在旋轉系統中，一旦使用單圈設備完成360度旋轉，就可以從0開始計數。而多圈絕對編碼器可以讓系統知道它的位置，不僅是電機在360度旋轉中的位置，而且知道在每個方向上它所完成的圈數。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度旋轉中的絕對位置。

　　除了伺服電機和伺服驅動器本身之外，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，結合編碼器的信號強度是長度考慮方面的關鍵要素。市場上提供的一些較新的設備以非常高的傳輸速率向驅動器（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”循環中起作用，因為連接器需要處理從這些設備生成的各種信號。與電機功率相關的另外一個電纜長度要素與當今PWM驅動器中涉及的高開關頻率相關。電機電源線中存在噪聲，當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。天線會發送或接收信息（在這種情況下產生噪聲），這是不應該出現在高性能系統中的。

　　最后一個參數：運動控制和網絡——集中式與分散式

　　最后一個考慮因素可能會造成整體設計過程重復（以及改變設計的其他指定組件）的一項考慮就是系統架構。工程師必須要問：我應當專注于一種帶有驅動器、控制器和支持電子器件，并封裝在一個集中機柜內的集中控制系統，還是將驅動器在機器上加以分散（一種分布式系統方法）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的成本。此外，將驅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，并降低機柜內的冷卻要求。另一方面，緊湊型并具有較少軸數的機器將不會受益于傳統集中式方法。

　　結論

　　在針對應用選型伺服系統時必須考慮許多事情，在本文中已經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。控制類型通常在機器設計討論的早期階段就已經指定，并取決于多種因素，同時控制選擇通常鎖定現場總線通信標準的選擇。